DE102006009985A1 - Superjunction-Halbleiterbauteil - Google Patents

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Abstract

Für ein Supersperrschicht-Halbleiterbauteil (superjunction) wird eine in einer Driftregion des Bauteils gebildete Supersperrschichtstruktur beschrieben, bei der alternierend n-leitende Halbleiterregionen (2) und p-leitende Halbleiterregionen (1) angeordnet sind, die beide schichtartig parallel zur Driftrichtung der Träger liegen, im eingeschalteten Zustand einen Strom fließen lassen und im ausgeschalteten Zustand verarmt sind. Die Supersperrschichtstruktur weist einen repetitiven Aufbau von Einheiten auf, die jeweils zwischen der n-leitenden Region und der p-leitenden Region eine erste eigenleitende Halbleiterregion (3) umfassen. Der Wert der Mobilität der Elektronen in der n-leitenden Region bzw. der Löcher in der p-leitenden Region ist höchstens gleich der Hälfte des entsprechenden Werts der Löcher bzw. Elektronen in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion. Durch diese Supersperrschichtstruktur wird die übliche untere Grenze beseitigt, die beim Stand der Technik einer weiteren Verringerung der Breite der n- und der p-Regionen eine Grenze setzt, soweit die Erwartung einer Verbesserung der Kompromißbeziehung zwischen einem Anstieg der Durchbruchspannung und einer Reduktion des Ein-Widerstands getroffen ist. Das beschriebene Supersperrschicht-Halbleiterbauteil kann hinsichtlich dieser Kompromißbeziehung weiter verbessert werden, auch wenn die Breite bis unter die genannte Grenze verringert wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Superjunction-Halbleiterbauteil, im folgenden als Supersperrschicht-Halbleiterbauteil bezeichnet, das für Vorrichtungen wie einen MOSFET (MOS Feldeffekttransistor), einen IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode), einen Bipolartransistor oder eine Diode anwendbar ist, und ermöglicht eine Verbesserung hinsichtlich der Charakteristik einer hohen Durchbruchspannung und der Charakteristik eines niedrigen Ein-Widerstands, was zwei Größen sind, zwischen denen ein Kompromiß gesucht werden muß.
  • Um in einem für eine hohe Durchbruchspannung konzipierten Halbleiterelement die hohe Durchbruchspannung zu erzielen, muß die Driftregion des Elements mit einem hohen spezifischen Widerstand ausgebildet werden, so daß sie der hohen Durchbruchspannung entspricht, und muß im gleichen Zug in der Richtung des Hauptstrompfads möglichst breit konzipiert sein. Dies führt aber in diesem Element mit der erhöhten Durchbruchspannung zu einem höheren Spannungsabfall in einem Abschnitt der Driftregion, was das Problem bewirkt, daß der Ein-Widerstand und damit die Ein-Spannung höher werden. Anders ausgedrückt, muß ein Kompromiß zwischen der Erhöhung der Durchbruchspannung und der Erniedrigung des Ein-Widerstands gesucht werden. Es ist nach allgemeiner Meinung nicht leicht, eine Verbesserung sowohl hinsichtlich der Durchbruchspannung als auch hinsichtlich des Ein-Widerstands zu erzielen.
  • Das oben genannte Supersperrschicht-Halbleiterbauteil ist bekanntlich eines der Mittel zum Lösen dieses Problems. Im folgenden werden kurz das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil betreffende Erfindungen, die in veröffentlichten Dokumenten beschrieben sind, erläutert. Beispielsweise ist (1) aus der JP-A-9-266311 ein Supersperrschicht-Halbleiterbauteil mit einer sogenannten Supersperrschicht-Halbleiterstruktur (Superjunction-Struktur) bekannt. Bei dieser Supersperrschichtstruktur sind in der Driftregion parallele p- und n-Schichten vorhanden, in denen einerseits dünne Strompfadbereiche, deren Leitfähigkeitstyp der gleiche ist wie der der Träger, und andererseits Bereiche mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, alternierend laminiert oder aneinander angrenzend vorhanden. Beide Bereiche sind parallel zueinander in der Driftrichtung der Träger (der Richtung des Strompfads) angeordnet, wobei die Verunreinigungskonzentrationen höher sind als in der Driftregion. Dies ermöglicht es, daß ein Strom im Strompfadbereich mit der hoch vorgegebenen Verunreinigungskonzentration fließt, wodurch ein Aufbau geschaffen wird, durch den die Ein-Spannung erniedrigt wird, während im Sperrzustand alle parallelen p-n-Schichten verarmt werden, wodurch das Ziel einer hohen Durchbruchspannung erreicht wird.
  • Aus (2), der JP-T-2000-504879 = deutschsprachige WO 97/29518, speziell aus deren Anspruch 1, ist eine Lösung des Problems bekannt, die der in der JP-A-9-266311 beschriebenen Lösung ähnlich ist. Die Druckschrift beschreibt einen MOSFET oder einen IGBT, wobei das Bauteil ein Halbleiter-Feldeffektbauteil ist, das in der Driftregion (Innenzone) eine Supersperrschicht-Struktur hat, die mit p-Zonen (Verarmungs- oder Ausräumzonen) und n-Zonen (komplementäre Verarmungs- oder Ausräumzonen) ausgeführt ist, mit beiderseits gleichen Mengen des Dotierungsmaterials.
  • In (3), nämlich JP-A-2003-124465, ist im Abschnitt "Advantage of the Invention", eine Erfindung beschrieben, die ein Halbleiter-Supersperrschichtelement betrifft. In diesem Element ist die Supersperrschichtstruktur mit parallelen p- und n-Schichten geschaffen, mit einer Funktion, die ähnlich der der oben beschriebenen p- und n-Schichten ist, wobei die Schichten in konzentrischen Kreisen angeordnet sind und gleichzeitig mit keinen vorliegenden Endflächen der jeweiligen p-Regionen und n-Regionen ausgeführt sind. Dies eliminiert die Konzentration des elektrischen Felds an der Grenz-Schnittfläche zwischen dem Bereich der parallelen p- und n-Schichten und einem peripheren Strukturabschnitt, wobei der Kompromiß zwischen der Durchbruchspannung und der Ein-Spannung erheblich verbessert wird.
  • Weiterhin ist in (4), der JP-A-10-223896, im "Abstract" ein Halbleiterbauteil mit hoher Durchbruchspannung beschrieben, das eine sehr gute Ein-Spannungs-Charakteristik und eine sehr gute Durchbruchspannungscharakteristik hat, indem eine Supersperrschichtstruktur gebildet ist, die aus einer Wiederholungsstruktur von p- und n-Schichten besteht, von denen jede eine geringe Breite in der Größenordnung von Mikrometern in einem Driftbereich aufweist, was mit einem ausreichend gangbaren Verfahren hergestellt wird.
  • Aus (5), der JP-A-2004-342660, ist ein Leistungs-MOSFET bekannt, bei dem eine Supersperrschichtstruktur mit den Breiten von jeweiligen n-leitenden Säulenschichten und p- leitenden Säulenschichten gebildet ist, die in einer Seitenwand eines Grabens gebildet sind und die erheblich verkleinert sind, so daß sie kleiner sind als die Schichten nach dem früheren Stand der Technik. Weiterhin kann der Aufbau so geschaffen werden, daß die Kanaldichte erhöht ist. Dies macht den niedrigen Ein-Widerstand gut kompatibel mit einer hohen Durchbruchspannung und verbessert gleichzeitig das Element so, daß es einen noch weiterhin reduzierten Ein-Widerstand hat.
  • Schließlich ist in (6), Tatsuhiko Fujihira, "Theory of Semiconductor Superjunction Devices", Japanese Journal of Applied Physics, Band 36 (1997), Seiten 6254–6262, ein technischer Aufsatz veröffentlicht, in dem eine theoretische Analyse über die Durchbruchspannung und den Ein-Widerstand eines Halbleiterbauteils versucht wird, das mit einem Supersperrschichtaufbau ausgestattet ist.
  • Alle genannten Supersperrschichtstrukturen basieren auf dem folgenden Konzept, gemäß dem die Breite jedes linearen Bereichs (die Breite in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung der Träger) in den parallelen p- und n-Regionen verringert wird, um die Anordnungsdichte sowohl der p-Regionen als auch der n-Regionen in der Supersperrschichtstruktur in der Driftregion zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Verunreinigungskonzentrationen in den p- und n-Regionen erhöht werden, so daß die Charakteristik einer niedrigen Ein-Spannung und die Charakteristik einer hohen Durchbruchspannung kompatibel werden. Bei der Extrapolierung dieses Konzepts zur noch weiteren Verbesserung der genannten Charakteristiken treten jedoch die im folgenden beschriebenen Beschränkungen auf. Kurz gesagt, ermöglicht jede der Supersperrschichtstrukturen nach dem Stand der Technik die Erhöhung der oberen Grenze der Dotierungskonzentration mit Verunreinigungen dadurch, daß man die Regionsbreite der jeweiligen p-leitenden und n-leitenden Regionen, die parallel angeordnet sind, weiter einengt und so das Erzielen des resultierenden Effekts einer hohen Durchbruchspannung und eines niedrigen Ein-Widerstands ermöglicht. Es ist jedoch bekannt, daß eine Erhöhung der Verunreinigungskonzentration durch Verringerung der Regionsbreite zum Reduzieren des Ein-Widerstands tatsächlich eine Sättigung bewirkt, die bei der Reduktion des Ein-Widerstands allmählich derart auftritt, daß bei Erreichen der Grenze der Regionsbreite und damit des Verunreinigungskonzentrationswerts und dann noch weiterer Verengung der Regionen der Ein-Widerstand umgekehrt wieder zuzunehmen beginnt.
  • Als Grund hierfür wird angenommen, daß im Bereich mit einer Verunreinigungskonzentration über einem Schwellenwert der Einfluß einer abnehmenden Trägermobilität so hoch wird, daß, wie oben dargelegt, die Reduktion des Ein-Widerstands unterbrochen wird und dann weiter sogar ein Anwachsen dieses Ein-Widerstands bewirkt wird. Beispielsweise ist es für den Fall eines Siliziumhalbleiters bekannt, daß eine über 5·1016 cm–3 erhöhte Verunreinigungskonzentration bewirkt, daß die Mobilität der Ladungsträger, ob es Elektronen oder Löcher sind, erheblich abzunehmen beginnt, und daß dann, wenn die Verunreinigungskonzentration 1·1018 cm–3 erreicht, die Mobilität um nahezu eine Größenordnung erniedrigt ist, verglichen mit der Mobilität in einem eigenleitenden Halbleiter (siehe z. B. 3 in 2.1.1 von S. M. Sze, Semiconductor Devices, Wiley, japanische Übersetzung Sangyo Tosho-sha). Auf der Basis der bekannten Tatsache wird in Erwägung gezogen, daß die Ursache der Abnahme der Mobilität auf einer Streuung beruht, die von Kristalldefekten bewirkt wird, welche wiederum durch die Streuung ionisierter Verunreinigungen aufgrund der dotierten Verunreinigungen und durch hochkonzentrierte Verunreinigungen bewirkt sind. Dies wird, kurz dargestellt, folgendermaßen erklärt. Die 11A und 11B zeigen in Querschnittsansichten Supersperrschichtstrukturen nach dem Stand der Technik, mit p-Regionen 1 und n-Regionen 2, die einen parallelen p-n-Bereich bilden. Die Breite der p-Region 1 ist als dp und die Breite der n-Region 2 als dn bezeichnet. Wenn die Regionsbreite der p-Region 1 und die Bereichsbereite der n-Region 2 im parallelen p-n-Bereich, wie sie in 11A dargestellt sind, schmaler gemacht werden und die Breite der in 11B gezeigten Regionen erreichen, wobei die Verunreinigungskonzentration der jeweiligen p-Regionen und der n-Regionen zum Zweck der Verbesserung sowohl der Durchbruchspannung als auch des Ein-Widerstands erhöht werden, erhöht sich auch die durch die ionisierten Verunreinigungen bewirkte Streuung und die durch die Streuung bewirkten Kristalldefekte, mit der Folge einer Erniedrigung der Mobilität der Träger. Dieser Effekt erhöht sich stetig mit einer Erniedrigung der Regionsbreite und einer Erhö hung der Verunreinigungskonzentration in den beiden Regionen, mit dem Ergebnis einer Unterbrechung des Effekts der Reduzierung des Ein-Widerstands, wie er oben beschrieben wurde.
  • Außerdem liegt bei einer normalen p-n-Übergangsschicht über dem Übergang zwischen der p-leitenden Region 1 und der n-leitenden Region 2, die aneinander anliegen, auch ohne Anlegen einer Vorspannung eine eingeprägte Spannung an, die sich auf die Verunreinigungskonzentrationen in den beiden Regionen mit einer gewissen geringen Breite bezieht. Durch die eingeprägte Spannung wird mit einer gewissen germgen Breite eine Verarmungsschicht gebildet. In den 11A und 11B ist die Breite der Verarmungsschicht, die sich an beiden Seiten der Sperrschicht ausbreitet, durch einen Doppelpfeil 4 angegeben. Wird also die jeweilige Regionsbreite (dp und dn) der p-leitenden Region 1 und der n-leitenden Region 2 über die Breite hinaus, bei der die Erniedrigung des Ein-Widerstands endet, noch weiter vermindert, so kommt der p-n-Übergang in einen Zustand, in dem die von der Verarmungsschicht eingenommene Breite 4 nicht mehr vernachlässigbar ist. In diesem Fall verengt der hohe Widerstand der Verarmungsschicht die Strompfadregionen der effektiven Ein-Ströme und die Transitregionen der Träger in den Regionen 1 und 2, mit dem Ergebnis, daß der Ein-Widerstand anzusteigen beginnt. Noch weiter verringerte Breiten dp und dn der Regionen haben schließlich zur Folge, daß das gesamte Ausmaß stets verarmt bleibt. Dies verringert den Strom auf ein Maß wie bei einem eigenleitenden Halbleiter, mit dem Ergebnis eines abrupten Ansteigens des Ein-Widerstands.
    •
  • Wie vorstehend dargelegt wurde, gibt es bei den Supersperrschicht-Halbleiterbauteilen nach dem Stand der Technik, wenn die Regionsbreite der jeweiligen p- und n-Regionen im parallelen p-n-Bereich in der Supersperrschichtstruktur zur Erhöhung von deren jeweiliger Verunreinigungskonzentration und zum Erhalten des Effekts einer Verbesserung der Kompromißbeziehung zwischen der Durchbruchspannungserhöhung und der Ein-Widerstands-Reduktion immer weiter verringert wird, eine untere Grenze, die ein weiteres Schmalermachen der Regionen nicht mehr hoffnungsvoll für einen weiteren Verbesserungseffekt erscheinen läßt. Die Erfindung wurde im Hinblick auf den im vorstehenden dargelegten Zusammenhang mit dem Ziel gemacht, diese untere Grenze zu beseitigen und ein Supersperrschicht-Halbleiterbauteil zu schaffen, bei dem die Kompromißbeziehung noch weiter verbessert werden kann, selbst wenn die Regionsbreiten noch unter das erläuterte Limit verringert werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird bei einem Halbleiter-Supersperrschichtbauteil mit einer Supersperrschichtstruktur, die in einer Driftregion des Bauteils gebildet ist, mit alternierend angeordneten n-leitenden Regionen und p-leitenden Regionen, die schichtartig parallel zur Driftrichtung der Ladungsträger angeordnet sind und im eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms zulassen und im ausgeschalteten Zustand verarmt werden, der Zweck der Erfindung dadurch erreicht, daß man das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil als eines schafft, bei dem die Supersperrschichtstruktur mit einer repetitiven Struktur einer Einheit ausgestattet ist, die in ihrer Anordnung die n-leitende Region, die p-leitende Region und eine erste eigenleitende Halbleiterregion, die zwischen der n-leitenden Region und der p-leitenden Region angeordnet ist, enthält, und der Wert der Mobilität der Elektronen in der n-leitenden Region und/oder der Löcher in der p-leitenden Region gleich oder niedriger ist als die Hälfte des Werts der Mobilität der Elektronen bzw. Löcher in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bei einem Halbleiter-Supersperrschichtbauteil mit einer Supersperrschichtstruktur, die in einer Driftregion des Bauteils gebildet ist, mit alternierend angeordneten n-leitenden Regionen und p-leitenden Regionen, die schichtartig parallel zur Driftrichtung der Ladungsträger angeordnet sind und im eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms zulassen und im ausgeschalteten Zustand verarmt werden, der Zweck der Erfindung dadurch erreicht, daß man das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil als eines schafft, bei dem die Supersperrschichtstruktur mit einer repetitiven Struktur einer Einheit ausgestattet ist, die in ihrer Anordnung die n-leitende Region, die p-leitende Region und eine erste eigenleitende Halbleiterregion, die zwischen der n-leitenden Region und der p-leitenden Region angeordnet ist, enthält, die n-leitende Region und/oder die p-leitende Region eine Anordnung haben, bei dem zwei Schichten der Region eine zweite eigenleitende Halbleiterregion zwischen sich halten, und der Wert der Mobilität der Elektronen in der n-leitenden Region und/oder der Löcher in der p-leitenden Region gleich oder niedriger ist als die Hälfte des Werts der Mobilität der Elektronen bzw. Löcher in der ersten und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach dem ersten, aber auch nach dem zweiten Aspekt als eines geschaffen, bei dem, wenn die Verunreinigungskonzentration in der n-leitenden Region als n2 bezeichnet wird, die Breite der n-leitenden Region in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung der Träger in dieser Region als dn bezeichnet wird, die Verunreinigungskonzentration in der p-leitenden Region als p1 bezeichnet wird, die Breite der p-leitenden Region in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung der Träger in dieser Region als dp bezeichnet wird und die Breite der ersten eigenleitenden Halbleiterregion als di bezeichnet wird, gilt: (dn + dp + 2·di)/2 = d',und bei dem die Donatorkonzentration Nd in der Supersperrschichtstruktur ist Nd = 1,41·1012·α7/6·d–7/6(cm–3), (1)wobei α einen Koeffizienten (0 < α < 1) bezeichnet und d die Breite eines Strompfads – in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung – in der n-leitenden Halbleiterregion – in der Supersperrschichtstruktur bezeichnet, und daß die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-leitenden Halbleiterregion und die Verunreinigungskonzentration p1 in der p-leitenden Halbleiterregion die Beziehungen erfüllen: n2 ≤ d'·Nd/dn, p1 ≤ d'·Nd/dp, n2·dn = p1·dp.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung, bezogen auf den ersten oder dritten Aspekt, oder gemäß einem fünften Aspekt, wenn man sich auf den zweiten Aspekt als Ausgangspunkt be zieht, ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil als eines geschaffen, bei dem die Einheit der repetitiven Struktur eine Gesamtbreite von maximal 0,5 μm hat.
  • Gemäß einem sechten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis dritten Aspekte als eines geschaffen, bei dem die Breite der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion in der Einheit der repetitiven Struktur, wenn die de-Broglie-Wellenlänge eines in der Region driftenden Trägers als λ bezeichnet wird, eine Größe im Bereich λ/2 bis 3λ hat und die Träger ein eindimensionales Elektronengas bilden, wenn die Träger Elektronen sind, bzw. ein eindimensionales Löchergas bilden, wenn die Träger Löcher sind.
  • Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis sechsten Aspekte als eines geschaffen, bei dem die Supersperrschichtstruktur in einem Substrat gebildet ist, das als Halbleitermaterial einen Silizium-Einkristall verwendet, daß die n-leitende Region und/oder die p-leitende Region eine Verunreinigungskonzentration von 1·1017 cm–3 oder höher aufweist und daß die erste eigenleitende Halbleiterregion oder die zweite eigenleitende Halbleiterregion als n-leitende Region oder p-leitende Region eine Verunreinigungskonzentration von 1·1016 cm–3 oder weniger hat.
  • Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis siebten Aspekte als eines geschaffen, bei dem im eingeschalteten Zustand der Supersperrschichtstruktur wenigstens eine der folgenden Beziehungen erfüllt ist: Jn3 ≥ Jn2, wobei Jn3 die Stromdichte eines Elektronenstroms ist, der in der ersten und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion fließt, und Jn2 die Stromdichte eines Elektronenstroms ist, der in der n-leitenden Region fließt; und Jp3 ≥ Jp1, wobei Jp3 die Stromdichte eines Löcherstroms ist, der in der ersten und/oder der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion fließt, und Jp1 ein Löcherstrom ist, der in der p-leitenden Region fließt.
  • Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist wünschbarerweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der fünften bis achten Aspekte als eines geschaffen, bei dem die Trägermobilität in der ersten und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion im Vergleich zur theoretischen Trägermobilität in einer eigenleitenden Halbleiterregion wenigstens 90 % beträgt.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis neunten Aspekte als eines geschaffen, bei dem das Bauteil an seiner Oberseite mit einer MOSFET-Struktur versehen ist und eine Anordnung hat, bei der die Supersperrschichtstruktur, die eine oder mehrere p-leitende und n-leitende miniaturisierte schichtartige Regionen und wenigstens eine erste und/oder eine zweite eigenleitende Halbleiterregion hat, der MOSFET-Struktur an einer Stelle gegenüberliegt, an der die Träger aus einer p-leitenden oder n-leitenden Quellenregion in der MOSFET-Struktur über eine darin befindliche Kanalregion herausfließen.
  • Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung ist wünschbarerweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis zehnten Aspekte als eines geschaffen, bei dem die Supersperrschichtstruktur eine Schichtstruktur aufweist, in der schichtartige Regionen in der Richtung senkrecht zur Hauptfläche eines Halbleitersubstrats gebildet und so ausgerichtet sind, daß ein Querschnittsmuster in einer parallel zur Hauptfläche liegenden Schnittebene eine Struktur mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Rechtecken aufweist.
  • Gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung ist wünschbarerweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil als eines geschaffen, das umfaßt: eine Supersperrschichtstruktur mit einer Säulenstruktur mit einem Querschnittsmuster in einer Ebene parallel zur Hauptfläche eines Halbleitersubstrats, in Form von konzentrischen Kreisen mit einer Mehrzahl von ringförmigen Regionen; und einer Kanalstopperregion, die an der Außenseite der Säulenstruktur angeordnet ist; wobei die Säulenstruktur enthält: eine zweite eigenleitende Halbleiterregion, die am zentralen Abschnitt der Säulenstruktur mit einem kreisförmigen oder angenähert kreisförmigen Querschnitt gebildet ist; von einer n-leitenden Region und einer p-leitenden Region eine erste der beiden einen ringförmigen Querschnitt hat, eine erste eigenleitende Halbleiterregion einen ringförmigen Querschnitt hat, die andere der Regionen, nämlich der n-leitenden und der p-leitenden Regionen, einen ringförmigen Querschnitt hat, und eine erste eigenleitende Halbleiterregion einen ringförmigen Querschnitt hat; und wobei diese Querschnitte in dieser Reihenfolge vom Mittelabschnitt zum Umfangsabschnitt angeordnet sind und eine n-leitende oder eine p-leitende Region mit ringförmigem Querschnitt im äußersten Umfangsabschnitt vorhanden ist.
  • Gemäß einem dreizehnten Aspekt der Erfindung ist zweckmäßigerweise das Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der ersten bis zwölften Aspekte als eines geschaffen, bei dem die Verunreinigung in der die Supersperrschichtstruktur bildenden n-leitenden Region Antimon oder Arsen ist.
  • Die durch die Erfindung erzielten Effekte werden später im einzelnen beschrieben.
  • Da die Erfindung sich auf einen Hauptabschnitt, nämlich die Driftregion einer Halbleiterscheibe mit einer Supersperrschichtstruktur bezieht, können irgendwelche Bauteilstrukturen auf der Oberseite und auf der Unterseite der Scheibe errichtet werden. Beispielsweise können als solche Bauteilstrukturen eine Diode, ein BJT (Bipolar Junction Transistor, Bipolarsperrschichttransistor), ein Thyristor, ein Thyristor mit isolierter Steuerelektrode, ein MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor) und ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode) genannt werden. Bei einem Thyristor mit isolierter Steuerelektrode, einem MOSFET oder einem IGBT kann die Steuerelektrodenstruktur sowohl von der planaren Art als auch von der Graben-Steuerelektrodenart sein. Speziell beim IGBT kann die Struktur an der Unterfläche eine NPT-(Non-Punch-Through, Nicht-Durchschlag-Struktur oder eine FS-(Field Stop, Feldstop-)Struktur einer dünnen Scheibe sein. In den folgenden Erläuterungen können die Leitfähigkeitstypen, ob p-leitend oder n-leitend, miteinander vertauscht werden. Außerdem wird bei der Beschreibung der Beispiele davon ausgegangen, daß als Halbleitermaterial Silizium verwendet wird. Die Erfindung kann jedoch ohne weiteres auch auf andere Halbleitermaterialien angewandt werden.
  • Wenn bei den entsprechenden Supersperrschicht-Halbleiterbauteilen nach dem Stand der Technik der Effekt einer Verbesserung der Kompromißbeziehung zwischen der Erhöhung der Durchbruchspannung und der Erniedrigung des Ein-Widerstands durch Verringerung der Breite der jeweiligen p- und n-Regionen im parallelen p-n-Bereich in der Supersperrschichtstruktur unter gleichzeitiger Erhöhung der jeweiligen Verunreinigungskonzentration erzielt wird, gibt es eine untere Grenze, die eine weitere Verringerung der Breite der Regionen für den weiteren Verbesserungseffekt als nicht mehr erwünscht erscheinen läßt. Gemäß der Erfindung wird jedoch die untere Grenze beseitigt und es kann ein Supersperrschicht-Halbleiterbauteil geschaffen werden, bei dem die Kompromißbeziehung weiter verbessert wird, auch wenn die Breite unter die genannte Grenze hinweg verringert wird.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
  • 1A in einem schematischen Querschnitt den Hauptteil einer Supersperrschichtstruktur gemäß der Erfindung;
  • 1B in einer Querschnittsansicht entsprechend 1A wiederum den Hauptteil der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur, mit im Vergleich zu 1A zusätzlicher Angabe von Regionsbreiten dp und dn und einer Schnittebene A-A';
  • 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht unter schematischer Darstellung eines Hauptteils der Supersperrschichtstruktur von 1A mit der vereinfachten Darstellung des Verhaltens von darin fließenden Elektronen;
  • 3 die Charakteristik der Beziehung zwischen dem Ein-Widerstand und der Regionsbreite in der Supersperrschichtstruktur von 1A mit Darstellung der Arbeitspunkte gemäß erfindungsgemäßen Beispielen 1, 2 und 3;
  • 4 die Charakteristik der Beziehung zwischen dem Ein-Widerstand und der Regi onsbreite bei einer anderen, in 13 gezeigten erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur, mit, zusätzlich zu den Arbeitspunkten gemäß den Beispielen 1, 2 und 3 nach 3, der Darstellung von Arbeitspunkten gemäß erfindungsgemäßen Beispielen 11, 12 und 13;
  • 5 im Querschnitt den Hauptteil einer abgewandelten Ausführung der Supersperrschichtstruktur von 1A;
  • 6 in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur in Säulenbauweise, mit Querschnitten in Form konzentrischer Kreise und mit ringförmigen Regionen;
  • 7 in perspektivischer Ansicht eine weiterhin abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur in Säulenbauweise, mit Querschnitten in Form konzentrischer Kreise mit ringförmigen Regionen;
  • 8 in einem Querschnittsmuster eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur in Säulenbauweise, mit Querschnitten in Form konzentrischer Kreise mit einer Vielzahl von ringförmigen Regionen;
  • 9 einen Querschnitt durch einen vertikalen MOSFET, der mit der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur ausgestattet ist;
  • 10A in perspektivischer Darstellung den Hauptteil eines vertikalen MOSFETs, der Graben-Steuerelektroden aufweist und mit der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur ausgestattet ist;
  • 10B in perspektivischer Darstellung den Hauptteil eines vertikalen MOSFETs, der eine flache Steuerelektrode aufweist und mit der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur ausgestattet ist;
  • 11A im Querschnitt den Hauptteil einer Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik;
  • 11B im Querschnitt den Hauptteil einer Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik mit gegenüber 11A schmaleren Regionen;
  • 12 die Charakteristik der Beziehung zwischen dem Ein-Widerstand und der Regionsbreite in einer Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik;
  • 13 in einer Querschnittsansicht den Hauptteil einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur;
  • 14 in schematischer Darstellung das Energieband mit dem Aufzeigen der Zustände von Elektronen und Löchern in der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur in der Schnittebene A-A' von 1B;
  • 15A in einer vergrößerten schematischen Querschnittsansicht den Hauptteil der Supersperrschichtstruktur von 1A unter Veranschaulichung des tatsächlichen Verhaltens der darin fließenden Elektronen;
  • 15B in einer vergrößerten schematischen Querschnittsansicht den Hauptteil der Supersperrschichtstruktur von 13 unter Veranschaulichung des tatsächlichen Verhaltens der darin fließenden Elektronen;
  • 16 in perspektivischer Darstellung einen lateralen Supersperrschicht-MOSFET mit Graben-Steuerelektroden;
  • 17 in schematischer Darstellung das Energieband zusammen mit Wellenfunktionen von Elektronen für die Ausführungsform von 13, in einer Schnittebene B-B' in 13;
  • 18 in einer Querschnittsansicht den Hauptteil einer weiteren erfindungsgemäßen, gegenüber 13 abgewandelten Supersperrschichtstruktur;
  • 19 in schematischer Darstellung das Energieband mit dem Aufzeigen der Zustände von Elektronen und Löchern für die Ausführungsform von 13, in der Schnittebene B-B' in 13;
  • 20 in einer Querschnittsansicht eine Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik gemäß 1 der JP-T-2000-504879 = WO 97/29518; und
  • 21 in einer Querschnittsansicht eine Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik gemäß 7d der JP-T-2000-504879 = WO 97/29518.
  • Die in 1A im Querschnitt dargestellte Supersperrschicht-Halbleiterstruktur hat einen sich wiederholenden Aufbau mit einer Einheit, die eine der p-leitenden Regionen 1, eine der n-leitenden Regionen 2 und eine der ersten eigenleitenden Halbleiterregionen 3 umfaßt, die je weils schichtförmig sind und alternierend in Aufeinanderfolge unter gegenseitiger Berührung angeordnet sind. Die p-Region 1 hat die Breite dp, die n-Region 2 die Breite dn und die eigenleitende Region 3 eine Breite di, und die Summe der Breiten der Regionen in der Einheit wird ausgedrückt als d' = (dn + dp + 2di)/2. Die Größe d' erscheint als d in dem Aufsatz von Fujihira in der dortigen Gleichung (3.5), die im folgenden als Gleichung (2) zitiert wird: q·Nd·d = 2·εs·|Ez|max = 2·α·εs·Ec (2)wobei q = Elementarladung (1,6·10–19 C), Nd = Donatorkonzentration im n-leitenden Strompfad in der Supersperrschichtstruktur (cm–3), α = ein Koeffizient (0 < α < 1), d = die Breite (in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung) des n-leitenden Strompfads in der Supersperrschichtstruktur (cm), Ec = maximale kritische elektrische Feldstärke im Halbleiter (Silizium) (V/cm), εs = relative Dielektrizitätskonstante des Halbleiters (Silizium), und |Ez|max = maximale elektrische Feldstärke in der z-Richtung (V/cm).
  • In der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur sind, wenn in der obigen Gleichung die Größe Nd für die Verunreinigungskonzentration ersetzt wird durch die Angabe der Verunreinigungskonzentration n2 in der n-Region 2, die Verunreinigungskonzentration anzugeben als n2 ≤ d'·Nd/dn, und die Verunreinigungskonzentration p1 in der p-Region 1 wird ausgedrückt als p1 ≤ d'·Nd/dp, und n2·dn = p1·dp. Vorteilhafterweise nehmen die Größen n2 und p1 die durch die obigen Ungleichungen zugelassenen Maximalwerte ein.
  • Da sich die Erfindung auf einen Abschnitt des Bauvolumens eines Halbleitersubstrats mit einer Supersperrschichtstruktur, nämlich auf die Driftregion bezieht, kann, wie schon angedeutet, die Erfindung sowohl auf vertikale Bauteile als auch auf laterale Bauteile angewandt werden. Bei einem vertikalen Bauteil können weitere Bauteilstrukturen auf der Oberseite und der Unterseite der Scheibe ausgebildet werden. Als solche Beispiele können eine Diode, ein BJT, ein Thyristor, ein Thyristor mit isolierter Steuerelektrode, ein MOSFET und ein IGBT in Betracht gezogen werden. Bei einem Thyristor mit isolierer Steuerelektrode, einem MOSFET oder einem IGBT kann die Steuerelektrodenstruktur beliebig von der planaren. Bauart oder von der Grabenbauart sein. Speziell beim IGBT kann die Struktur an der Unterseite beliebig eine NPT(Non-Punch-Through)-Struktur oder eine FS(Field Stop)-Struktur einer dünnen Scheibe sein. Auch im Fall eines lateralen Bauteils können die an beiden Enden der Supersperrschichtstruktur angebauten Strukturen ohne spezielle Limitierung sein. Bei den nachfolgenden Erläuterungen kann der als p-Typ und als n-Typ dargestellte Leitfähigkeitstyp auch vertauscht sein.
  • Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wie er in 1A veranschaulicht ist, in der jede feine Regionsbreite auf dem gleichen Wert gehalten ist wie die feine Regionsbreite (dp oder dn) im in 11A gezeigten Querschnitt der Supersperrschichtstruktur, ist jede in 11A gezeigte mit Verunreinigung dotierte Region auf eine noch feinere Region eingeschränkt, wobei die gesamte Verunreinigungsmenge konstant gehalten wird und der Rest des Bereichs als eigenleitende Halbleiterregion (i-Region, "intrinsic region") bereitgestellt wird. Die Darstellung, daß die in 1A gezeigte Regionsbreite gleich der in 11A gezeigten Regionsbreite ist, bedeutet, daß die Breite (dp + dn) gemäß 11A gleich der Breite (dp + dn + 2di) gemäß 1A ist. Daß die dotierte Region nach 11A in 1A noch weiter und feiner eingegrenzt ist, wobei die gesamte Menge der Verunreinigungen konstant gehalten wird, bedeutet, daß die Verunreinigungskonzentration in der dotierten Region von 1A höher wird als in der dotierten Region von 11A. Hieraus resultierend, ist die Expansion der Verarmungsregion in der dotierten Region begrenzt und gleichzeitig die Mobilität der Träger weiter erniedrigt. Es sei nun angenommen, daß das Bauteil in diesem Zustand eingeschaltet wird. Als Beispiel wird von einem Unipolarelement mit n-Leitung ausgegangen. Elektronen, die als Träger eine höhere Leitung durchführen, werden von einer in 1A gezeigten n-Region 2 geliefert. Zur anschaulicheren Erläuterung ist in 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus 1A dargestellt, zusammen mit einer vereinfachten Darstellung des Verhaltens der sich darin bewegenden Elektronen. Der Ausschnitt enthält in der Mitte die n-Region 2, erste eigenleitende Halbleiterregionen 3, die auf beiden Seiten der n-Region 2 angeordnet sind, und die p-Regionen 1, die in weiterem Kontakt mit beiden Außenseiten der eigenleitenden Halbleiterregionen 3 sind. In der n-Region 2 von 2, der, wie oben erläutert, eine hohe Verunreini gungskonzentration zugeteilt wurde, ist die Elektronendichte hoch, jedoch die Trägermobilität niedrig. Dies hat zur Folge, daß Elektronen an der n-Region 2 vorbeifließen und leicht auch dazu kommen, in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 zu fließen, in der die Elektronendichte niedrig, jedoch die Trägermobilität hoch ist; dieses Vorbeifließen übt einen vorteilhaften Effekt auf die Reduktion des Ein-Widerstands aus. Die Tatsache, daß die erste eigenleitende Halbleiterregion die Rolle eines wesentlichen Strompfads übernimmt, ermöglicht eine erhebliche Reduktion des Ein-Widerstands. Im in 2 dargestellten Zustand ist die Elektronendichte selbst am höchsten in der dotierten n-Region 2. Jedoch ist die Mobilität des einzelnen Elektrons (die als Driftgeschwindigkeit interpretiert werden kann), die schematisch durch die Länge eines Pfeils 6 angedeutet ist, in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 um annähernd eine Größenordnung höher als in der dotierten n-Region 2. Da die Stromdichte das Produkt der Trägerdichte und der Driftgeschwindigkeit ist, entsteht der obige Effekt der Umgehung der n-Region 2. Durch dieses Schaffen einer Träger-Lieferungsregion und einer Träger-Transitregion, die getrennt voneinander sind, wird die Reduktion des Ein-Widerstands möglich.
  • Als Erweiterung der in 11A im Schnitt gezeigten Supersperrschichtstruktur nach dem verglichenen Stand der Technik werden die Regionsbreiten dp und dn der p-Region 1 bzw. der n-Region 2 in dem parallelen p-n-Bereich eingeengt und werden zu den in 11B dargestellten Regionen, wobei die Verunreinigungskonzentration darin höher wird. Anhand der in 12 als Charakteristik diagrammartig dargestellten Beziehung zwischen dem Ein-Widerstand und der Regionsbreite bei der Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik ergibt sich, daß, wenn ein Siliziumkristall verwendet wird, die Reduktion des Ein-Widerstands allmählich aufhört, wenn die Regionen schmaler gemacht werden als in der Größenordnung von dp = dn = 0,5 μm, und die Umkehrung, nämlich das Anwachsen des Ein-Widerstands tritt auf bei einer Regionsbreite von 0,05 μm.
  • Das Diagramm von 12 wurde erhalten durch Durchführen einer Bauteilsimulation, bei der eine Unipolaroperation bei n-Leitung für jede Breite um eine streifenartige vertikale Supersperrschicht von Silizium mit einer angenommenen Durchbruchspannung von 600 V durchgeführt wurde, für eine der Supersperrschichtstruktur nach dem zehnten Aspekt der Erfindung etwa entsprechende Struktur nach dem Stand der Technik, mit einem Querschnittmuster mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Rechtecken. Der Ein-Widerstand RonA (mΩcm2) als Ergebnis der Bauteilsimulation wurde für unterschiedliche Regionsbreiten dp und dn der p-Region bzw. der n-Region in den parallelen p-n-Bereichen aufgetragen. In 12 wurden in logarithmischen Maßstäben auf der horizontalen Achse die Regionsbreite (μm) und auf der vertikalen Achse der Ein-Widerstand RonA (mΩcm2) aufgetragen. In der Figur ist "cm2" stets angegeben als "cm2" (dies gilt auch für die später beschriebenen 3 und 4). Die Verunreinigungskonzentrationen in den parallelen p- und n-Schichten wurden gemäß der im oben genannten Aufsatz von Fujihira angegebenen Gleichung (4.1) bestimmt. Soweit nicht anders angegeben, werden die Verunreinigungskonzentrationen in den nachfolgenden Erläuterungen in der gleichen Weise bestimmt. Die Gleichung (4.1), die im Aufsatz von Fujihira enthalten ist, wird als nachfolgende Gleichung (1) angegeben: Nd = 1,41·1012·α7/6·d–7/6(cm–3) (1)wobei Nd die Donatorkonzentration in der Supersperrschichtstruktur, α einen Koeffizienten (0 < α < 1) und d die Breite (Breite in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung) des Strompfads (in einer n-Region) in der Supersperrschichtstruktur angeben.
  • Wie oben dargelegt, zeigt 12, daß die Reduktion des Ein-Widerstands bei einer Regionsbreite dp oder dn von angenähert dp = dn = 0,5 μm endet und der Ein-Widerstand RonA (mΩcm2) unter der Regionsbreite von etwa dp = dn = 0,05 μm abrupt ansteigt. In 12 zeigen die mit einer Ellipse umschlossenen Aufzeichnungen die Beziehung zwischen der Breite und dem Ein-Widerstand bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 und die anderen Aufzeichnungen die Ein-Widerstand-Werte bei Stromdichten von 50 A/cm2 bzw. 55 A/cm2, für die Regionsbreite von 0,05 μm.
  • Ein solches Konzept der Trennung der Trägerlieferungsregion und der Trägertransitregion, wie es die Erfindung verwendet, ist auf dem Gebiet der Leistungshalbleiterbauteile noch nicht üblich, jedoch hat die dem Konzept entsprechende Struktur eine Ähnlichkeit mit der Struktur eines HEMT (High Electron Mobility Transistor, Transistor mit hoher Elektronenmobilität) als Niederkapazität-FET. Zwischen dem erfindungsgemäßen Bauteil und einem HEMT gibt es folgenden Unterschied: Der HEMT verwendet eine Heterosperrschicht-Struktur von Verbindungshalbleitern zum abrupten Verändern von Bandprofilen, um hierdurch die Trägerlieferungsregion und die Trägertransitregion zu trennen, während das erfindungsgemäße Bauteil, das für Leistungshalbleiterbauteile verwendet werden soll, so gebaut ist, daß es einen Aufbau ohne Heterosperrschichtstruktur aufweist und die Trägerlieferungsregion und die Trägertransitregion dadurch getrennt sind, daß die Differenz zwischen dem Grad der Trägermobilität ausgenützt wird.
  • Der erläuterte Aufbau ermöglicht die Realisierung einer weiteren Reduktion des Ein-Widerstands dadurch, daß man veranlaßt, daß der Strom die Region mit hoher Verunreinigungskonzentration und niedriger Trägermobilität umgeht und in der eigenleitenden Halbleiterregion mit hoher Trägermobilität fließt. Bei diesem Aufbau gibt es jedoch immer noch ein Problem, das im folgenden erklärt wird.
  • 14 zeigt als Schema eine Energiebandstruktur zusammen mit Zuständen von Elektronen und Löchern in einer in 1B angegebenen Schnittebene A-A' und einer äquivalenten Schnittebene in 1A. Die Linie Ec bezeichnet das untere Niveau des Leitungsbands und die Linie Ev das obere Niveau des Valenzbands. Die Linie Ef bezeichnet das Ferminiveau. Leitungselektronen 5, die die n-Region 2 umgehen und durch die erste eigenleitende Halbleiterregion 3 fließen, und Leitungslöcher 8, die die p-Region 1 umgehen und durch die erste eigenleitende Region 3 fließen, werden von elektrostatischen Anziehungskräften 9 zwischen den ionisierten Verunreinigungen angezogen und so stets zur n-Region 2 oder zur p-Region 1 zurückgezogen; dies kann auch so gesehen werden, daß diese Träger in ein weiterhin niedrigeres Energieniveau fallen, und zwar aufgrund des Gradienten der Potentialenergie, die durch die elektrostatische Anziehungskraft bewirkt wird. Es bleibt also mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Zustand zurück, gemäß dem eine Streuung der ionisierten Verunreinigung eintreten kann Dies bedeutet, daß die oben beschriebene Trennung der trägerliefernden Region und der Trägertransitregion nicht so einfach ist. Anders ausgedrückt, werden in einem n-leitenden Unipolarbauteil, wie es in der der 2 ähnlichen 15A dargestellt ist, die Leitungselektronen 5 im tatsächlichen Verhalten gelegentlich von der Region 3 zur Region 2 zurückgezogen, wo sie der Streuung der ionisierten Verunreinigung unterworfen sind, und dies, obwohl ein in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 fließender Elektronenstrom dominant ist, da seine Trägermobilität höher ist als die des in der n-Region 2 fließenden Elektronenstroms. Dies bedeutet, daß der Vorteil der höheren Trägermobilität in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 nicht voll ausgenützt wird.
  • Im Vergleich hierzu ist beim Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach dem zweiten Aspekt der Erfindung, wie es in 13 dargestellt ist, eine Struktur geschaffen, bei der eine eine Leitungsumgehung schaffende zweite eigenleitende Halbleiterregion 7 im Mittelabschnitt von einer oder beiden der Regionen 1 und 2 eingebaut ist. 19 zeigt als Diagramm die Energiebandstruktur zusammen mit den Zuständen der Elektronen und Löcher in der Supersperrschichtstruktur an der Schnittebene B-B' von 13. Die Bezugszeichen und Linien haben die gleiche Bedeutung wie in 14. Gemäß 19 unterliegen die Leitungselektronen 5 und die Leitungslöcher 8, die in der durch die zweite eigenleitende Halbleiterregion 7 gebildeten Umleitungsstrecke fließen, elektrostatischen Anziehungskräften, die nach rechts und nach links gleich stark sind. Die Anziehungskräfte heben sich also gegenseitig auf, und als natürliche Folge hat die Potentialenergie keinen Gradienten; die Leitungselektronen 5 oder die Leitungslöcher 8 können sich in der Region 7 geradeaus bewegen. Das anhand der 15A beschriebene Problem kann also gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gelöst werden, also das Problem, daß die Leitungsträger zum Schlängeln gebracht und von der Umleitungsregion, nämlich der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3, zur n-Region 2 oder zur p-Region 1 zurückgezogen und dort der Streuung der ionisierten Verunreinigung unterworfen werden.
  • Der Elektronenstrom im Bauteil nach dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei dieser Strom dem in 15A angegebenen Strom entspricht, ist schematisch in 15B dargestellt. Die durch die zweite eigenleitende Region 7 fließenden Elektronen, die eine hohe Mobilität und eine geradlinige Fließbewegung aufgrund der Aufhebung der von beiden Seiten auf sie einwirkenden elektrostatischen Kräfte haben, können zusätzlich zur Reduzierung des Ein-Widerstands beitragen. Da die Position der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 dem unteren Niveau der Potentialenergie entspricht, wie 19 zeigt, fallen die Elektronen in das tiefste Energieniveau, was zu einer hohen Elektronendichte führt. Da die Stromdichte durch das Produkt der Elektronendichte und der Driftgeschwindigkeit bestimmt ist, ist es erwünscht, daß diese beiden Größen hoch sind. Gleichzeitig tragen die durch die erste eigenleitende Region 3 fließenden Elektronen, obwohl sie sowohl hinsichtlich der Stromdichte als auch hinsichtlich der Driftgeschwindigkeit den in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 fließenden Elektronen unterlegen sind, wie beschrieben in gewissem Ausmaß zur Erniedrigung des Ein-Widerstands bei. Der Ein-Widerstand wird also durch die Summe der in der zweiten eigenleitenden Region 7 und in der ersten eigenleitenden Region 3 fließenden Stromhöhen bestimmt.
  • Zwischen der in der Beschreibungseinleitung definierten Erfindung und dem in der JP-T-2000-504879 bzw. der ihr entsprechenden WO 97/29518 beschriebenen Stand der Technik besteht der folgende nachstehend anhand der Zeichnung beschriebene Unterschied. Eine in 1 der Druckschrift (diese Figur ist in den vorliegenden Anmeldungsunterlagen als 20 aufgenommen) gezeigte n–-leitende Region 2 wird als der eigenleitenden Halbleiterregion, die ebenfalls die n–-leitende. Region enthält, in der Supersperrschichtstruktur nach der Erfindung gleichend angesehen. Die n–-leitende Region 2 hat die Funktion, schnell elektrische Potentiale, die schwebende Potentiale sind, der p-leitenden Regionen 10, 20, 30 und 40 und der n-leitenden Regionen 11, 21, 31 und 41 festzulegen. Dies bedeutet, daß beim Ausschalten, wenn die Bauteile vom leitenden in den sperrenden Zustand geschaltet werden, die p-leitenden Regionen 10, 20, 30 und 40 und die n-leitenden Regionen 11, 21, 31 und 41 weder geerdet noch mit Elektroden, deren elektrisches Potential definiert ist, verbunden sind. In diesem Sinne sind die elektrischen Potentiale der Regionen schwebende Potentiale, die so unbestimmt sind, daß man sich den Fall vorstellen kann, daß die elektrischen Potentiale heftig driften und so ein Rauschen erzeugen. Wenn also die n–-leitende Region 2 vorhanden ist, wird von der Oberseite des Bauteils her eine Verarmungsschicht erzeugt, die sich zur Unterseite hin ausdehnt. Bei diesem Prozeß werden die elektrischen Potentiale der p-leitenden Regionen 10, 20, 30 und 40 und der n-leitenden Regionen 11, 21, 31 und 41 nacheinander in die Verarmungsschicht einbezogen und werden so nicht schwebende, sondern definierte Potentiale. Die n–-leitende Region 2 nach diesem Stand der Technik hat somit nicht die direkte Funktion, zur Erniedrigung des Ein-Widerstands beizutragen, so daß sie sich offensichtlich von der eigenleitenden Halbleiterregion gemäß der Erfindung unterscheidet, die die Funktion hat, zur Reduktion des Ein-Widerstands beizutragen. Eine in in der genannten Druckschrift enthaltenen 7d (die in die vorliegenden Unterlagen als 21 aufgenommen wurde) dargestellte Anordnung beruht ebenfalls auf dem gleichen Entwurfskonzept wie die in der vorliegenden 20 dargestellte Anordnung. Wenn also das in 21 dargestellte Bauteil sich im ausgeschalteten, also sperrenden Zustand befindet, ist ein Hauptstrompfad in einem n-leitenden Element als eine n-leitende Region 95 und in einem p-leitenden Element als eine p-leitende Region 96 gegeben. Gemäß der Beschreibung in der WO-Schrift ist eine leichte Dotierung von nur der n-Region, die mit dem Bezugszeichen 95* bezeichnet ist, im peripheren Bereich und von einer in ähnlicher Weise mit dem Bezugszeichen 96* bezeichneten p-Region im peripheren Bereich vorteilhaft. Die "leichte Dotierung" bedeutet, daß die Regionen 95* und 96* schwächer dotiert sind als die anderen, mit den Bezugszeichen 95 oder 96 bezeichneten Regionen als Hauptstrompfade. Weiterhin ist eine n–-Region 92 eine Schicht, die äquivalent einer gewöhnlichen Driftregion ist und die Funktion hat, beim Abschalten aufeinanderfolgend die elektrischen Potentiale der n-Regionen 95 bzw. der p-Regionen 96 von der Oberseite her zur Unterseite zu definiert zu machen. Somit hat die n–-Region 92, wie in der obigen Beschreibung, nicht die Funktion eines direkten Beitrags zur Reduktion des Ein-Widerstands, im Gegensatz zur Erfindung, so daß sich die Funktion der n–-leitenden Region 92 von der Funktion der eigenleitenden Halbleiterregion gemäß der Erfindung unterscheidet. Es haben also alle n–-Regionen, die mit den Bezugszeichen 95*, 96* und 92 bezeichnet sind, unterschiedliche Arbeitseffekte im Vergleich zur eigenleitenden Halbleiterregion, die gemäß der vorliegenden Erfindung die n–-Region oder die p–-Region einschließen.
  • Bei dem in der JP-A-2004-342660 beschriebenen Bauteil befinden sich zwischen Zellen (C1 bis C4), die in 1 dieser Druckschrift dargestellt sind, n–-Regionen (14), die aber nur aufgrund des Gesichtspunkts vorgesehen sind, daß sie für die Durchführung des in den 1 bis 28 der Druckschrift veranschaulichten Herstellungsprozesses notwendig sind. Bei der in dieser JP-A-Schrift beschriebenen Bauteilanordnung ist es für den niedrigsten Ein-Widerstand erwünscht, daß die Einheiten der Zellen (C1 bis C4) bevorzugt ohne Zwischenraum aneinandergereiht sind, also daß die Breite der n–-Regionen (14), die in 1 der Druckschrift gezeigt sind, null beträgt. Die n–-Regionen tragen also nicht wirksam zur Reduktion des Ein-Widerstands bei, was den Vorteil der vorliegenden Erfindung darstellt, und unterscheiden sich in der Funktion von den eigenleitenden Halbleiterregionen gemäß der Erfindung.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines erfindungsgemäßen Supersperrschicht-Halbleiterbauteils unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung im einzelnen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, soweit nicht Ausführungen vom Kern der Erfindung abweichen.
  • Erstes Beispiel
  • 1A zeigt ein erstes Beispiel der Erfindung anhand einer Querschnittsansicht eines Hauptteils einer Supersperrschichtstruktur, die unter den elften Aspekt (Anspruch 10) der Erfindung fällt und aus einer Struktur mit einem Querschnittsmuster besteht, das eine Vielzahl von parallel angeordneten Rechtecken aufweist. Die Supersperrschichtstruktur ist eine eines vertikalen Elements mit einer angenommenen Durchbruchspannung von 600 V und mit einer Querschnittsebene parallel zur Hauptfläche eines mit einem streifenartigen Muster ausgestatteten Halbleitersubstrats. In der Supersperrschichtstruktur sollen (dp + dn + 2·di) sein: (dp + dn + 2·di) = 0,1 μm; und sollen dp und dn jeweils sein: dp = dn = 0,02 μm. Die Breite di der er sten eigenleitenden Halbleiterregion soll betragen: di = 0,03 μm.
  • In der verglichenen Struktur nach dem Stand der Technik, für die zum Vergleich mit der Erfindung gemäß dem ersten Beispiel der Stand der Technik nach der 11A herangezogen wird, sind die Regionen 1 und 2 jeweils folgendermaßen dimensioniert: d' = dp = dn = 0,05 μm. Dann ist die Verunreinigungskonzentration Nd, die sich aus der obigen Gleichung (2), die der Gleichung (4.1) im genannten Aufsatz von Fujihira entspricht, gegeben als 1·1018 cm–3. Es wurde eine Bauteilsimulation mit den obigen Werten durchgeführt unter der Annahme eines n-leitenden Unipolarbauteils mit der verglichenen Struktur von 11A. Die Ergebnisse haben gezeigt, daß der Wert des Ein-Widerstands RonA bei einer Stromdichte von 50 A/cm2 oder 55 A/cm2 bis 10 mΩcm2 oder höher ansteigt, wie in 12 als Diagramm in logarithmischen Maßstäben dargestellt ist, mit dem Ergebnis einer Verschlechterung der Charakteristiken; in 12 sind, wie erwähnt, die Regionsbreite in der Supersperrschichtstruktur auf der horizontalen Achse und der Ein-Widerstand auf der vertikalen Achse aufgetragen.
  • 3 zeigt charakteristische Arbeitspunkte, nämlich den Wert des Ein-Widerstands in Abhängigkeit von der Regionsbreite gemäß der Bauteilsimulation. Im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik ergibt sich im Fall des ersten Beispiels, daß der Ein-Widerstand RonA für einen mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 fließenden Strom 0,86 mΩcm2 wird, wenn dp = dn = 0,02 μm. Es zeigt sich also, daß ein beachtlich niedriger Ein-Widerstandswert RonA im Fall des Beispiels 1 im Vergleich zum Ein-Widerstandswert von 10 mΩcm2 oder mehr bei den oben erläuterten Supersperrschichtstrukturen nach dem Stand der Technik erhalten werden kann. Hierbei ist die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-Region 2 gegeben als n2 = d'·Nc/dn = 2,5·1018 cm–3, also eine sehr hohe Verunreinigungskonzentration, die 2,5 mal höher ist als die Verunreinigungskonzentration Nd bei der Supersperrschichtstruktur nach dem Stand der Technik, die beträgt: Nd = 1·1018 cm–3.
  • Hierbei sind um die Grenzschicht zwischen der n-Region 2 und der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 folgende Stromdichten berechnet, nämlich die Stromdichte J2 in der n-Region 2 und die Stromdichte J3 in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3: J2 ≈ 90 A/cm2 und J3 ≈ 40 A/cm2. Mit der Regionsbreite in dieser Größenordnung in der Supersperrschichtstruktur ist die Stromdichte in der n-Region 2 immer noch höher als die in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3. Jedoch ist auch schon nur durch die Stromdichte J3 ≈ 40 A/cm2 in der eigenleitenden Region 3 der Effekt sichergestellt, daß der Ein-Widerstand reduziert wird, und zwar entsprechend der Höhe der gehaltenen Stromdichte.
  • Um die Grenzflächen zwischen der n-Region 2 und der ersten eigenleitenden Region 3 im ersten Beispiel herum beträgt indessen der Wert der Elektronenmobilität in der n-Region 2 187 cm2/Vs, wenn die Verunreinigungskonzentration n2 = 2,5·1018 cm–3, und ist der Wert der Elektronenmobilität in der ersten eigenleitenden Region 3 1.500 cm2/Vs. Hieraus ist ersichtlich, daß die Elektronenmobilität in der n-Region 2 höchstens den halben Wert der Mobilität in der ersten eigenleitenden Region 3 hat.
  • Zweites Beispiel
  • Beim zweiten Beispiel wird die Breite der Einheit aufrechterhalten als (dp + dn + 2di) = 0,1 μm. Hierbei sind die Breiten dp, dn und di folgendermaßen dimensioniert: dp = dn = 0,01 μm und di = 0,04 μm. In der dem zweiten Beispiel entsprechenden bekannten Struktur nach 11A gilt, ebenso wie bei der zum Vergleich mit der Struktur nach dem ersten Beispiel herangezogenen bekannten Struktur, daß d' = dp = dn = 0,05 μm.
  • Im Fall des zweiten Beispiels ergibt die Bauteilsimulation als Wert des Ein-Widerstands RonA 0,66 mΩcm2 für einen Strom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2, woraus erkennbar ist, daß ein beachtlich niedriger Wert des Ein-Widerstands erhalten werden kann, verglichen mit dem entsprechenden Wert beim ersten Beispiel. Hierbei ist die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-Region 2 gegeben als n2 = d'·Nd/dn = 5·1016 cm–3.
  • Hierbei sind um die Grenzfläche zwischen der n-Region 2 und der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 die Stromdichten J2 und J3 in den Regionen 2 bzw. 3 folgendermaßen: J2 ≈ 120 A/cm2 und J3 ≈ 140 A/cm2. Hieraus ist ersichtlich, daß die Stromdichte in diesem Fall in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 höher ist als in der n-Region 2. Das Ergebnis ist, daß beim zweiten Beispiel der erfindungsgemäße Effekt der Erniedrigung des Ein-Widerstands RonA, wie er beschrieben werde, sich noch deutlicher zeigt.
  • Der Wert der Elektronenmobilität um die Grenzfläche zwischen der n-Region 2 und der eigenleitenden Region 3 beträgt beim zweiten Beispiel in der n-Region, wenn die Verunreinigungskonzentration n2 = 5·1018 cm–3, 140 cm2/Vs, und in der ersten eigenleitenden Region 1.500 cm2/Vs. Hieraus ist erkennbar, daß die Elektronenmobilität in der n-Region 2 maximal halb so hoch ist wie die Mobilität in der ersten eigenleitenden Region 3.
  • Drittes Beispiel
  • Zurückschauend zum ersten Beispiel, sollen dort folgende Dimensionierungen gegeben sein: (dp + dn + 2di) = 0,1 μm, dp = dn = 0,005 μm, di = 0,045 μm. Für die dem entsprechende bekannte Struktur nach 11A gilt, ebenso wie für die zum Vergleich mit den Strukturen des ersten und des zweiten Beispiels herangezogenen bekannten Strukturen: d' = dp = dn = 0,05 μm. Hierbei erreichen die Verunreinigungskonzentrationen n2 und p1 der Verunreinigungen vom n-Typ bzw. vom p-Typ Werte bis n2 = p1 = 1·1019 cm–3. Bei der Dotierungskonzentration von 1·1019 cm–3 liegt die Elektronenmobilität unter 100 cm2/Vs, was um mehr als eine Größenordnung niedriger ist als die Elektronenmobilität im nicht dotierten Silizium.
  • Nach dem dritten Beispiel ergibt jedoch die Bauteilsimulation für den Ein-Widerstands RonA einen Wert von 0,35 mΩcm2 für einen Strom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2, wenn dp = dn = 0,005 μm, woraus ersichtlich ist, daß im Vergleich zum Wert des Ein-Widerstands RonA nach dem zweiten Beispiel eine noch weitergehende Reduktion erzielt werden kann.
  • Hierbei betragen die Stromdichten J2 in der Region 2 und J3 in der Region 3 um die Grenzfläche zwischen den Regionen 2 und 3: J2 ≈ 700 A/cm2 und J3 ≈ 1.400 A/cm2. Es zeigt sich also, daß in diesem Fall die Stromdichte in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 höher ist als in der n-Region 2, woraus sich wiederum ergibt, daß beim dritten Beispiel der erfindungsgemäße Effekt der Reduzierung des Ein-Widerstands RonA sich noch deutlicher zeigt. Außerdem wird die bevorzugte Bedingung beim achten Aspekt der Erfindung erfüllt.
  • Um die Grenzfläche zwischen den Regionen 2 und 3 hat beim zweiten Beispiel der Wert der Elektronenmobilität in der n-Region 2 den Wert 95 cm2/Vs, wenn die Verunreinigungskonzentration n2 = 1·1019 cm–3, und hat die Elektronenmobilität in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 den Wert 1.500 cm2/Vs. Die Elektronenmobilität ist also ersichtlich in der Region 2 halb so hoch oder niedriger als in der Region 3. Der Wert der Elektronenmobilität in der Region 3 wurde erhalten unter Berücksichtigung des Gesichtspunkts, daß diese Region tatsächlich nicht nur eine theoretisch eigenleitende Halbleiterregion ohne Verunreinigungen ist, sondern auch eine leicht dotierte Region mit einem Dotierungsstoff des n-Typs wie Phosphor, Arsen oder Antimon sein kann. Als erste eigenleitende Halbleiterregion 3 wird also auch eine Region angesehen, deren Trägermobilität 1.350 cm2/Vs ist, was mindestens 90 % im Vergleich zur Trägermobilität von 1.500 cm2/Vs in einer theoretisch eigenleitenden Halbleiterregion ist, also in anderen Worten, einer Region mit einer n-Verunreinigungskonzentration von bis zu 1·1016 cm–3.
  • Die 3 zeigt die im ersten bis dritten Beispiel erhaltenen Werte RonA des Ein-Widerstands in Abhängigkeit von der Regionsbreite, und 12 zeigt die entsprechenden Verhältnisse beim Stand der Technik, wo der Wert RonA die Grenze von 1 mΩcm2 nicht brechen kann und invers ansteigt, wenn die Regionsbreite bis hinunter zu dp = dn = 0,05 μm verringert wird. Im Vergleich hierzu zeigt 3 die Ein-Widerstand-Werte in der Supersperrschichtstruktur gemäß der Erfindung, und selbst dann, wenn die Regionsbreite auf 0,05 μm oder noch niedriger gebracht wird, sind die Werte des Ein-Widerstands immer noch reduziert. Es zeigt sich, daß für die Regionsbreite von 0,005 μm der Ein-Widerstandswert sich erniedrigt bis auf 0,35 mΩcm2 (für einen Strom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2), wie sich aus der detaillierten Beschreibung des dritten Beispiels ergibt.
  • Viertes Beispiel
  • Für die Beispiele 1 bis 3 wurde gezeigt, daß das Leistungsverhalten der Supersperrschichtstruktur dadurch verbessert wird, daß man die Breite der Einheit auf (dp + dn + 2di) = 0,1 μm festsetzt und die Breiten dn und dp gleich macht, also dn = dp, und klein macht.
  • Beim vierten Beispiel wird die Breite der Einheit erhöht, so daß sie beispielsweise beträgt: (dp + dn + 2di) = 0,2 mm. Hierbei ist d' = 0,1 μm und die sich aus der Gleichung (4.1) im genannten Aufsatz von Fujihira ergebende Verunreinigungskonzentration Nd wird vorgegeben als 4,3·1017 cm–3. Dieser Wert von d', wie er ist, wird auch für dp verwendet, indem dp = 0,1 μm. Es wird dann nur die Breite dn der n-Region 2 verringert auf den Wert dn = 0,0043 μm, und die Verunreinigungskonzentration n2 in der Region 2 wird bestimmt zu n2 = d'·Nd/dn = 1·1019 cm–3. Da die Breite der Einheit auf (dp + dn + 2di) = 0,2 μm festgesetzt wird, ergibt sich: di = 0,04785 μm. Die Verunreinigungskonzentration in der n-Region 2 und die Umgebung der Präsenz der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 auf jeder Seite der n-Region 2 sind die gleichen wie die beim dritten Beispiel. Somit sind also, soweit wenigstens das n-leitende Bauteil betroffen ist, das Verhalten des in der n-Region 2 fließenden Elektronenstroms und auch des in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion 3 durch Umgehen der n-Region 2 fließenden Elektronenstroms gleich dem Verhalten im Aufbau gemäß dem dritten Beispiel. Beim vierten Beispiel erniedrigt sich jedoch die Dichte der Streifen pro Flächeneinheit aufgrund der erhöhten Zahl von (dp + dn + 2di) mit dem Ergebnis einer Erhöhung des Ein-Widerstands RonA. Im einzelnen ist die Streifendichte reduziert auf die Hälfte im Vergleich zum dritten Beispiel, was umgekehrt den Ein-Widerstand RonA auf 0,70 mΩcm2 verdoppelt (für einen elektronischen Strom mit einer Stromdichte von 50 A/cm2). Jedoch übersteigt der Ein-Widerstand RonA, der für einen elektrischen Strom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 ermittelt wird, obwohl er geringfügig ansteigt, nicht den Wert von 0,70 mΩcm2.
  • Es ist also das Leistungsverhalten der Struktur des vierten Beispiels doch in einigem Maße überlegen, verglichen mit dem Ein-Widerstandswert von 1,33 mΩcm2 (für einen elektrischen Strom mit der Stromdichte 100 A/cm2), wie er gemäß dem Stand der Technik in 12 als dieser Widerstand bei einer Regionsbreite von dn = dp = 0,1 μm gezeigt wurde.
  • Wenn jedoch im vierten Beispiel die Werte von (dp + dn + 2di) = 0,2 μm und von d' = dp = 0,1 μm festgelegt sind, die Regionsbreite dn bestimmt wird auf dn = 0,0086 μm und die Verunreinigungskonzentration n2 bestimmt wird zu n2 = d'·Nd/dn = 5·1018 cm–3, so werden die Bedingungen der n-Region 2 ähnlich denen beim zweiten Beispiel. Als Ergebnis wird, für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 50 A/cm2, der Ein-Widerstand RonA = 1,32 mΩcm2, mit einer zusätzlichen Erhöhung des Ein-Widerstands um ein Maß entsprechend der Reduktion der Streifendichte. Es gibt also keine Änderung des Leistungsverhaltens im Vergleich zum Ein-Widerstandswert RonA von 1,33 mΩcm2, bei 100 A/cm2, wie er in 12 gezeigt ist, als derjenige bei der Regionsbreite dn = dp = 0,1 μm in der Struktur nach dem Stand der Technik. Bei einer Stromdichte von 100 A/cm2 wird jedoch das Betriebsverhalten im Vergleich zur entsprechenden Struktur nach dem Stand der Technik schlechter.
  • Eine durch eine Erhöhung der Länge der Periode (dp + dn + 2di), die die Breite der Einheit der Supersperrschichtstruktur darstellt, bewirkte Erniedrigung der Streifendichte erfordert also, daß die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-leitenden Region dadurch hoch gemacht wird, daß man die Breite dn der n-Region 2 weiter verringert, um so das Betriebsverhalten für einen Streifen zu verbessern.
  • Beim vierten Beispiel ergibt sich für den Wert von Nd, wenn die periodische Länge weiterhin vergrößert wird zu (dp + dn + 2 di) = 0,5 μm und d' = dp = 0,25 μm, daß Nd = 1,5·1017 cm–3. Wird jedoch darauf abgezielt, daß die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-Region 2 den Wert erhält n2 = d'·Nd/dn = 1·1019 cm–3, so wird die Breite dn = 0,00375 μm. Dabei wird der Ein-Widerstand RonA, der eine zusätzliche Erhöhung um einen Betrag entsprechend der Reduktion der Streifenbreite erfährt, 1,75 mΩcm2 (für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 20 A/cm2). Der Ein-Widerstand RonA, auch wenn er für eine Stromdichte von 20 A/cm2 bestimmt wird, wird deshalb nicht höher als 2 mΩcm2 und liegt sogar etwas unterhalb des Werts von angenähert 2 mΩcm2 als dem Betriebsverhaltenswert der verglichenen Struktur nach dem Stand der Technik.
  • Beim vierten Beispiel, wenn die Ladungen in der n-Region und in der p-Region miteinander als die Ladungen in der Supersperrschicht im Gleichgewicht sind, besteht keine Notwendigkeit, daß dn und dp zueinander gleich sind. Wenn bei diesem Beispiel die Supersperrschichtstruktur für ein unipolares Bauteil mit n-Leitung verwendet wird, kann durch Verringern allein der Breite dn der n-Region zur Erhöhung der Verunreinigungskonzentration darin, wie in einer Querschnittsansicht der Supersperrschichtstruktur in 5 gezeigt ist, der Effekt der Verringerung des Ein-Widerstands im Rahmen der Erfindung erzielt werden.
  • Fünftes Beispiel
  • Bei einer vertikalen Supersperrschichtstruktur ist die Erfindung nicht auf die Streifenform beschränkt. Bei einfach im Gleichgewicht miteinander befindlichen Ladungen in der p-Region und der n-Region kann eine Säulenstruktur geschaffen werden, die ein Querschnittsmuster von konzentrischen Kreisen mit einer Mehrzahl von ringartigen Regionen aufweist, wie in den 6, 7 oder 8 gezeigt ist.
  • Sechstes Beispiel
  • 7 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Supersperrschichtstruktur, die den Effekt des zweiten Aspekts der Erfindung erbringt. Sie stellt eine Modifizierung der in der JP-A-2003-124465 beschriebenen Supersperrschichtstruktur dar, die eine Säulenstruktur mit einem Querschnitt in Form konzentrischer Kreise mit einer Vielzahl von zylinderringförmigen Regionen aufweist. Zwischen der p-leitenden Region 1 und der n-leitenden Region 2 ist unveränderlich die erste eigenleitende Halbleiterregion 3 eingesetzt, um dort eine Umleitungsstrecke für die Ladungsträger zu schaffen.
  • Siebtes Beispiel
  • Durch Modifizieren der in der JP-A-2004-342660 beschriebenen Struktur in eine Supersperrschichtstruktur, deren Hauptteil im Querschnitt in 9 gezeigt ist, kann der Effekt der Erfindung mit einer Anordnung erhalten werden, die der des vierten Beispiels erheblich nahekommt. Im nachfolgenden wird ein Beispiel nach dem ersten Aspekt der Erfindung gegeben, und zwar für einen im Querschnitt in 9 gezeigten Leistungs-MOSFET. 9 zeigt diesen MOSFET im Schnitt. Das Bauteil hat eine Vielzahl von Zellen, es sind vier Zellen C1 bis C4 so ausgebildet, daß sie aneinander anliegen und jeweils als vier Zellen eine Gruppe bilden. Jede Zelle enthält eine Struktur, die auf einem n+-leitenden Halbleitersubstrat 112 in der Richtung senkrecht zur Hauptfläche des Substrats 112 gebildet ist, wobei zwischen eine n+-leitende Pfeilerschicht 111 und eine p-leitende Pfeilerschicht 118 eine eigenleitende Region 113 eingesetzt ist. Die Pfeilerschichten sind durch n–-leitenden Zwischenschichten 114 in eine Vielzahl von Zellen geteilt. Auf der p-Pfeilerschicht 118 ist eine p+-Basisregion 120 gebildet, an deren Oberseite eine n+-leitende Quellenregion 122 gebildet ist. An der Hauptfläche des die beschriebene Supersperrschichtstruktur enthaltenden Substrats ist eine nicht dargestellte Steuerelektrode gebildet, die von der Hauptfläche durch eine nicht dargestellte Isolierschicht isoliert ist. Die Steuerelektrode ist so geformt, daß sie sich über die n+-Pfeilerschicht 111 von der Quellenregion 122 aus ausdehnt. Außerdem ist über die Quellenregion 122 und die p+-Basisregion 120 eine nicht dargestellte Quellenelektrode angeschlossen, während, wie 9 zeigt, an der Unterseite des Halbleitersubstrats 112 eine Abflußelektrode 130 gebildet ist. Wird an die nicht dargestellte Steuerelektrode eine spezifizierte Steuerspannung angelegt, so bildet sich ein Kanal nahe der Oberfläche der p+-Basisregion 120 unmittelbar unterhalb der Steuerelektrode, um einen Zusammenhang zwischen der n+-Quellenregion 122 und der n+-Pfeilerschicht 111 herzustellen. Es wird dann eine Region zwischen der Quellenelektrode und der Abflußelektrode 130 in einen leitenden Zustand gebracht. Für jeden MOSFET werden nämlich in jeder n+-Pfeilerschicht 111 und jeder eigenleitenden Halbleiterregion 113, die als Umgehungsregion für die n+-Pfeilerschicht 111 dient, Strompfade gebildet. Durch Erhöhung der Verunreinigungskonzentration in der n+-Pfeilerschicht 111 kann der Ein-Widerstand (RonA) reduziert werden.
  • Im siebten Beispiel, das in 9 gezeigt ist, sind die vier Zellen C1 bis C4 so ausgebildet, daß sie aneinander anliegen und jeweils als vier Zellen eine Gruppe bilden. Die jeweils aus den vier Zellen bestehenden Gruppen sind voneinander durch die n–-leitenden Zwischenschichten 114 getrennt. Durch die Bildung der vier Zellen C1 bis C4 so, daß sie, mit den zusammen gebildeten eigenleitenden Halbleiterregionen 113, aneinander anliegen, kann der Ein-Widerstand RonA reduziert werden, auch wenn die Dichte der Bildung der Zellen erheblich bis über die Formierungsgrenze hinaus erhöht wird. Im Rahmen der Erfindung wird es durch das Vorsehen der eigenleitenden Halbleiterregionen 113 möglich, die Breite der n+-leitenden Pfeilerschichten 111 erheblich zu verringern, so daß sie schmaler werden als die entsprechenden Schichten beim verglichenen Stand der Technik. Beim Stand der Technik war die Pfeilerstruktur gebildet worden durch kleinweises Stapeln der Pfeilerstruktur, indem eine Ionenimplantation und ein epitaxiales Wachstum wiederholt durchgeführt wurden und schließlich eine Langzeit-Aktivierungsbehandlung bei hoher Temperatur durchgeführt wurde. Es war also schwierig, die Breite der Pfeilerschichten bis hinunter auf 10 μm oder weniger zu reduzieren. Beim siebten Beispiel können jedoch die Pfeilerschichten 111, 113 und 118 durch epitaxiales Wachstum gebildet werden, und als Ergebnis hiervon wird es ziemlich einfach, die Breite der n+-leitenden Pfeilerschichten 111 bis hinunter auf 10 μm oder weniger zu reduzieren. Man kann die Breite sogar bis auf 1 μm oder weniger reduzieren. Die n–-Pfeilerschicht 111, die ein Strompfad wird, kann nämlich so hergestellt werden, daß sie eine erheblich höhere Verunreinigungskonzentration aufweist als im Stand der Technik. Als Ergebnis kann die Kanaldichte bei stark vermindertem Ein-Widerstand RonA erhöht werden und kann außerdem die Durchbruchspannung des Elements erhöht werden, indem am Ende des Elements die n–-leitende Zwischenschicht 114 geschaffen wird, die die Supersperrschichtstruktur begrenzt, und die Verunreinigungskonzentration in der Zwischenschicht 114 unabhängig von der Verunreinigungskonzentration in der Zelle reduziert wird.
  • Achtes Beispiel
  • Wie beim siebten Beispiel gezeigt wurde, kann, wenn die Streifen in der Supersperrschichtstruktur parallel zu den Streifen in der MOSFET-Struktur in einem Oberseitenbereich verlaufen, die periodische Abmessung der Streifen in der Supersperrschichtstruktur durch die periodische Abmessung der Streifen im MOSFET bestimmt werden. Auch in diesem Fall kann, wenn die bevorzugten Bedingungen in den Aspekten der Erfindung erfüllt werden, der erfindungsgemäße Effekt erhalten werden. Die Erfindung zeigt jedoch ursprünglich besser ihre Effekte für die erheblich miniaturisierte periodische Abmessung der Streifen in der Supersperrschichtstruktur.
  • Bevorzugenswert ist deshalb eine Struktur, bei der die Streifen in der Supersperrschichtstruktur orthogonal oder angenähert orthogonal zu den Streifen in der MOSFET-Struktur in der Oberseitenregion angeordnet sind, so daß die periodische Abmessung in den Streifen der Supersperrschichtstruktur nicht durch die periodische Abmessung in den Streifen in der MOSFET-Struktur bestimmt wird. Die typische Struktur eines solchen MOSFETs ist in den 10A und 10B gezeigt.
  • 10A zeigt in perspektivischer geschnittener Darstellung die Anordnung des Hauptteils eines gewöhnlichen vertikalen MOSFETs mit Graben-Steuerelektrode, wobei mit diesem MOSFET eine erfindungsgemäße Supersperrschichtstruktur kombiniert ist. 10B zeigt in perspektivischer geschnittener Darstellung die Anordnung des Hauptteils eines gewöhnlichen vertikalen MOSFETs mit planarer, flacher Steuerelektrode, wiederum kombiniert mit der erfindungsgemäßen Supersperrschichtstruktur. Die folgende Erklärung bezieht sich auf den MOFET von 10A mit der Graben-Steuerelektrode. In 10B sind die gleichen Bezugszahlen wie in 10A eingetragen und sie bezeichnen Teile, die die gleiche Funktion erfüllen wie die entsprechenden Teile in 10A. 10A zeigt wiederum auf dem n-leitenden Halbleitersubstrat 12 aus Silizium mit hoher Verunreinigungskonzentration eine Vielzahl von p-Regionen 1, n-Regionen 2 und eigenleitenden Halbleiterregionen 3 der Supersperrschichtstruktur, die dort als Bausteine einer sich wiederholenden Struktur einer Einheit gebildet sind, die die Regionen enthält und deren Struktur senkrecht zur Hauptfläche des Substrats 12 verläuft. An der Unterseite des n-leitenden Halbleitersubstrats 12 mit hoher Verunreinigungskonzentration ist eine Abflußelektrode 30 aufgeschichtet. An der Oberseite der Supersperrschichtstruktur ist ein Graben 10 gebildet, entlang von dessen Innenfläche sich eine Steuerelektroden-Isolierschicht 31 befindet. Außerdem ist der Innenabschnitt des Grabens 10 mit einer Steuerelektrode 33 gefüllt, wodurch eine Graben-Steuerelektrode gebildet ist. Für die Steuerelektrode 33 wird beispielsweise ein Material wie Polysilizium, das mit Phosphor dotiert ist, verwendet. Das lineare Oberflächenmuster des Grabens 10 ist vorzugsweise als ein Muster gebildet, das die linearen Muster der p-Region 1, der n-Region 2 und der eigenleitenden Halbleiterregion 3 orthogonal schneidet.
  • An der Oberfläche der Supersperrschichtstruktur sind zwischen den Graben-Steuerelektroden eine p-leitende Topfregion 20 mit hoher Verunreinigungskonzentration, eine innerhalb dieser Topfregion gebildete n+-leitende Quellenregion 22 mit hoher Verunreinigungskonzentration und eine p+-leitende Region 32 mit hoher Verunreinigungskonzentration ausgebildet. Wie in 10B dargestellt ist, ist darüber hinaus eine Quellenelektrode 35 geschaffen, die in Kontakt mit der n+-leitenden Quellenregion 22 und der p+-leitenden Region 32 und nicht in Kontakt mit der Steuerelektrode 33 ist. Die Steuerelektrode 33 und die Quellenelektrode 35 sind gegeneinander durch einen Zwischenschicht-Isolator 34 isoliert (10B), so daß sie nicht in Kontakt miteinander kommen. Der vertikale MOSFET von 10B mit der planaren, flachen Steuerelektrode hat eine im Vergleich zum vertikalen MOSFET von 10A mit der Graben-Steuerelektrode ähnliche Anordnung, es ist dort nur die Graben-Steuerelektrode durch die flache Steuerelektrode ersetzt.
  • Durch Vorstehendes wurde ausreichend deutlich gemacht, daß das achte Beispiel die bevorzugte Bedingung nach dem zehnten Aspekt der Erfindung erfüllt.
  • Neuntes Beispiel
  • Die erfindungsgemäße Supersperrschichtstruktur ist nicht auf ein vertikales Bauteil beschränkt. Als Beispiel kam die in 1(a) des Aufsatzes von Fujihira, die die 16 der vorliegenden Unterlagen darstellt, herangezogen werden. In diesem Fall ist ihr Herstellungsverfahren das gleiche wie das für die gestapelten Überstrukturen. Es können also übliche Technologien zur Herstellung dieser Bauteile ohne Modifikation verwendet werden, beispielsweise wie die zur Herstellung eines HEMT, eines Halbleiterlasers oder eines gestapelten Bauteils mit SiGe-Gruppe.
  • Zehntes Beispiel
  • Wenn als Halbleitermaterial für die Strukturen der Beispiele 1 bis 9 Silizium verwendet wird, wird Antimon vorteilhafterweise für die n-Typ-Verunreinigung verwendet. Die Verwendung von Phosphor macht es aufgrund seiner hohen Diffusionskonstante im Feststoff schwierig, Verunreinigungsatome in einem feinen Bereich mit hoher Konzentration eingegrenzt zu halten. Für die p-Typ-Verunreinigung kann nur Bor verwendet werden.
  • Elftes Beispiel
  • 13, auf das elfte Beispiel angewandt, zeigt im Querschnitt den Hauptteil einer Supersperrschichtstruktur mit vertikalen streifenartigen Regionen mit einer angenommenen Durchbruchspannung von 600 V. Wird angenommen, daß die Einheit (dp + 2·di + dn + 2·dw) = 0,1 μm breit ist, so wird bestimmt, daß die gesamte Breite dn der zwei Schichten der n-Region 2 und die gesamte Breite dp von zwei Schichten der p-Region 1 bestimmt sind zu dp = dn = 0,02 mm, und die Breite di der ersten eigenleitenden Region 3 und die Breite dw der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 bestimmt sind zu di = 0,024 μm und dw = 0,006 μm = 6 mm. Da die de Broglie'sche Wellenlänge eines Elektrons in Silizium bei Zimmertemperatur angenähert 7 nm beträgt, erfüllen die Elektronen in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion des elften Beispiels die bevorzugte Bedingung im sechsten Aspekt der Erfindung.
  • Bei der dem oben Beschriebenen entsprechenden Struktur nach dem ersten Beispiel, die in 1B gezeigt ist, hat das Nichtvorhandensein der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 zur Folge, daß dw = 0 und di = 0,03 μm, wodurch der durch eine Bauteilsimulation berechnete Wert für den Ein-Widerstand RonA für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 als 0,86 mΩcm2 ermittelt wird. Im Fall des elften Beispiels wird jedoch nur durch Einsetzen der Breite der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 dw = 6nm der bei der Bauteilsimulation berechnete Wert des Ein-Widerstands RonA verbessert und wird für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 heruntergebracht auf 0,40 mΩcm2.
  • Zwölftes Beispiel
  • Bei der Struktur nach 13, auf das zwölfte Beispiel angewandt, sind die Breite der Einheit (dp + 2·di + dn + 2·dw) = 0,1 μm, die Breiten dp = dn = 0,01 μm, di = 0,034 μm und dw = 0,006 μm = 6 nm.
  • Bei der Struktur nach dem dem Obigen entsprechenden zweiten Beispiel, die in 1B gezeigt ist, bewirkt das Nichtvorhandensein der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7, daß dw = 0 und di = 0,04 μm, so daß der berechnete Wert des Ein-Widerstands RonA bei der Bauteilsimulation als 0,66 mΩcm2 für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 herauskommt, wie bei der Beschreibung des zweiten Beispiels angegeben wurde. Im Fall des zwölften Beispiels wird jedoch nur durch Einfügen der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 mit der Breite dw = 6 nm, wie beim elften Beispiel, der berechnete Wert des Ein-Widerstands RonA nach dem Ergebnis der Bauteilsimulation dahingehend verbessert, daß er für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 herunterkommt bis auf 0,40 mΩcm2.
  • Dreizehntes Beispiel
  • Bei der Struktur von 13, auf das dreizehnte Beispiel angewandt, bei der die Breite der Einheit (dp + 2·di + dn + 2·dw) = 0,1 μm, werden die Breiten dp, dn, di und dw bestimmt zu dp = dn = 0,005 μm = 5 nm, di = 0,039 μm und dw = 0,006 μm = 6 nm. Die Verunreinigungskonzentration p1 in der p-Region 1 beträgt p1 = d'·Nd/dp = 1·1019 cm–3, und die Ver unreinigungskonzentration n2 in der n-Region 2 beträgt n2 ≤ d'·Nd/dn = 1·1019 cm–3, wobei diese beiden Werte den Maximalwert der Verunreinigungskonzentration nach dem dritten Aspekt der Erfindung erfüllen. Eine Untersuchung hinsichtlich der Elektronenmobilität zeigt, daß die Mobilität unter 100 cm2/Vs für die Verunreinigungskonzentration von 1·1019 cm–3 liegt, was um mehr als eine Größenordnung niedriger ist als die Mobilität von 1.500 cm2/Vs im nicht dotierten Silizium.
  • Bei der Struktur nach dem dem Obigen entsprechenden dritten Beispiel, die in 1B gezeigt ist, bewirkt das Nichtvorhandensein der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7, daß dw = 0 und di = 0,45 μm, wodurch der durch die Bauteilsimulation berechnete Wert des Ein-Widerstands RonA für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 zu 0,35 mΩcm2 wird, wie es bei der Beschreibung des dritten Beispiels angegeben wurde. Im Fall des dreizehnten Beispiels verbessert sich jedoch nur durch Einfügen der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 mit der Breite dw = 6 nm, wie beim elften Beispiel, der durch die Bauteilsimulation berechnete Wert des Ein-Widerstands RonA für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 auf den viel niedrigeren Wert von 0,18 mΩcm2.
  • Beim dreizehnten Beispiel betragen die Werte der Elektronenmobilität in den n-Regionen 2 95 cm2/Vs und in den zweiten eigenleitenden Halbleiterregionen 7, die jeweils zwischen die beiden Schichten der n-leitenden Regionen 2 eingesetzt sind, 1.500 cm2/Vs. Die Werte der Löchermobilität betragen in den p-leitenden Regionen 1 70 cm2/Vs und in den zweiten eigenleitenden Halbleiterregionen 7, die jeweils zwischen die beiden Schichten der Regionen 1 eingesetzt sind, 470 cm2/Vs. Es zeigt sich also, daß die Trägermobilität in jeder der Regionen 1 und 2 die Hälfte oder noch weniger der Trägermobilität in den zweiten eigenleitenden Halbleiterregionen 7 ist.
  • Die 4 zeigt die berechneten Werte des Ein-Widerstands RonA in der Supersperrschichtstruktur gemäß dem elften bis dreizehnten Beispiel, die jeweils mit der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion ausgestattet sind, im Vergleich zur Regionsbreite als gesamte Breite der bei den Schichten der n-leitenden Region oder der p-leitenden Region. Zum erleichterten Vergleich sind auch die berechneten Werte von RonA gemäß 3 als die Werte in den Strukturen gemäß dem ersten bis dritten Beispiel, also jeweils ohne die zweite eigenleitende Halbleiterregion, eingezeichnet. Der Vergleich der berechneten Werte von RonA einerseits für die Strukturen des elften bis dreizehnten Beispiels und andererseits, gemäß 3, für die Strukturen des ersten bis dritten Beispiels zeigt, daß der Effekt der Erfindung gemäß dem Aspekt mit der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion sich folgendermaßen darstellt: Selbst ein Wert von RonA, der angenähert gleich dem Wert ist, der erreicht werden kann, bis dn = dp = 0,05 μm = 5 nm gemäß Beispiel 3, kann mit einer Breite von dn = dp = 0,02 μm gemäß dem elften bis dreizehnten Beispiel im Rahmen der Erfindung erreicht werden, wenn die zweite eigenleitende Halbleiterregion vorhanden ist. Mit noch weiter verringerter Regionsbreite, nämlich dn = dp = 0,01 μm und 0,005 μm, kann der Ein-Widerstand noch unter 0,2 mΩcm2 für einen Elektronenstrom mit einer Stromdichte von 100 A/cm2 heruntergedrückt werden.
  • Die vorstehende Diskussion basiert auf der klassischen Elektronenleitungstheorie. Gemäß dem Konzept dieser Theorie, bei der die Leitungselektronen als kleine Partikel behandelt werden, wird die elektrische Leitung folgendermaßen erklärt. Die Partikel werden unter einem elektrischen Feld beschleunigt und werden hierbei durch die ionisierten Verunreinigungsatome, Gittervibrationen und Gitterdefekte gestreut, was bei den sich vorwärtsbewegenden Elektronen das Vorhandensein einer Gleichgewichtsgeschwindigkeit zur Folge hat. Die Gleichgewichtsgeschwindigkeit ist die Driftgeschwindigkeit, die, wenn man sie durch die elektrische Feldstärke dividiert, die Trägermobilität ergibt. Bis die Träger-Bewegungsgeschwindigkeit die Sättigungs-Driftgeschwindigkeit erreicht, stehen die Driftgeschwindigkeit und die elektrische Feldstärke in einem proportionalen Verhältnis zueinander, wobei die Trägermobilität als Proportionalitätskonstante angenommen wird.
  • Ein solches Konzept der Theorie ist eine grobe Annäherung, wenn man ein einziges Atom und ein einziges Elektron betrachtet. Die Theorie kann aber trotzdem bei der Behandlung der elektrischen Leitung in Halbleitern und Metallen ausreichend angewandt werden, so daß sie problemlos zu verwenden ist. Wird jedoch, wie im Rahmen der Erfindung, die Größe der Supersperrschichtstruktur in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung der Träger bis in die Größenordnung von Nanometern hinunter miniaturisiert, so kann vorhergesagt werden, daß quantenmechanische Eigenschaften der Leitungselektronen und der Leitungslöcher sichtbar werden. Tatsächlich ist das Auftreten solcher quantenmechanischer Erscheinungen durch frühere Untersuchungen an einem Oberflächenquantisierungsphänomen an einer Zwischenfläche einer MOS-Struktur und bei anschließenden Untersuchungen über die Formierung von zweidimensionalem Elektronengas in einem HEMT bestätigt worden.
  • Beobachtungen der Bandstruktur im Rahmen der Erfindung sind in 17 wiedergegeben, die schematisch die Energiebandstruktur zusammen mit Wellenfunktionen von Elektronen in der Supersperrschichtstruktur in der Schnittebene B-B' von 13 zeigt. Diese beispielhafte Beobachtung zeigt einen trogartigen Absenkungsbereich im Energieniveau, und in diesen Bereich fallen Leitungselektronen und Leitungslöcher hinunter, was auch als Pseudo-Potentialtopf (Quantenmulde) angesehen werden kann, in den diese Leitungselektronen oder Leitungslöcher durch ein eingebautes Potential von 700 meV eingeschlossen sind.
  • Beispielsweise wird hinsichtlich der Struktur im dritten Beispiel, mit der Breite dw + dn ≈ 10 nm, ein Potentialtopf betrachtet, mit der Breite L = 10 nm des Topfs und einem Einschließungspotential, das als unendlich gegeben ist. Nach einer groben Schätzung ist dann die Quantisierungsenergie eines Leitungselektrons gegeben durch die folgende Gleichung: En = hb 2·(n·π/L)2/(2·m*). (3)wobei hb eine Konstante ist, für die die Planck'sche Konstante durch 2π geteilt wird, L die Breite des Potentialtopfs ist, n eine Quantenzahl ist, die die ganzen Zahlen ab 1 in der Reihenfolge annimmt, und m* die effektive Masse eines Elektrons ist.
  • In Silizium liegt der untere Rand des Leistungsbands um einen X-Punkt in einem reziprokalen Kristallgitterraum (somit ist Silizium ein indirekter Spalt-Halbleiter, der für eine lichtemittierende Vorrichtung ungeeignet ist), und eine isoenergetische Fläche bildet einen ellipsoidalen Revolutionskörper, der eine starke Anisotropie aufweist. Die effektive Elektronenmasse m* reicht also von 0,25 bis 0,98 mal der Elektronenmasse m0 im Vakuum. Für die ernsthafteste Schätzung wird hier die effektive Elektronenmasse angenommen als das 0,98-Fache der Elektronenmasse im Vakuum. Durch Einsetzen von L durch L = 10 nm in der Gleichung (3) ergibt sich, daß die in 17 gezeigte Struktur Quantisierungsenergien von angenähert 4 meV für n = 1, von angenähert 16 meV für n = 2, von angenähert 36 meV für n = 3 und von angenähert 64 meV für n = 4 aufweist. In Anbetracht der Energie von angenähert 26 meV bei Zimmertemperatur von 300 K und einem Betrieb bei einer hohen Temperatur in der Größenordnung von 400 K kann vorhergesagt werden, daß mit relativer Wahrscheinlichkeit die Phonon-Streuung vom untersten Energieniveau von n = 1 bis zum Energieniveau von n = 3 auftritt. Es wird also angenommen, daß eine so starke Quanteneingrenzung, wie sie bis zu dem Ausmaß gebracht wird, daß sie äquivalent der Quanteneingrenzung im Fall eines HEMTs ist, nur schwer zu erreichen ist, mit einer Eingrenzung von zweidimensionalem Elektronengas, das aus Elektronen ausschließlich im untersten Niveau von n = 1 gebildet ist. Die Ursache hierfür liegt in der effektiven Elektronenmasse im Silizium. Zum Erhalten eines starken Quanteneffekts muß die effektive Elektronenmasse durch Aufwendung der Anisotropie leichter gemacht werden, oder die Struktur muß noch weiter verkleinert werden.
  • Wenngleich es also aufgrund des Materials Silizium eine Grenze gibt, wird doch davon ausgegangen, daß bei einer Struktur, die bis zum Ausmaß der in 13 gezeigten Struktur verkleinert ist, Quantisierungszustände mit Quantenzahlen bis zu n = 1 bis 3 erhalten werden können. In 17 sind die Wellenfunktionen von Elektronen, die in der lateralen Richtung quantisiert sind, schematisch dargestellt. Wellenfunktionen sind solche Funktionen, die die Größen der Häufigkeits- oder Abundanzwahrscheinlichkeit von Elektronen zeigen. Von den Wellenfunktionen zeigt jede der Funktionen mit n = 1 und n = 3, daß die Elektronen eine große Abundanzwahrscheinlichkeit in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 haben. Der zweite eigenleitende Halbleiter 7 weist keine Verunreinigungen auf und ist weniger anfällig für das Streuen von ionisierter Verunreinigung. Es kann deshalb erwartet werden, daß hier eine noch weiter erhöhte Elektronenmobilität erzielt werden kann als diejenige, die durch die klassische Elektronenleitungstheorie vorhergesagt wird. Bei der Anordnung nach 1B sind darüber hinaus die Elektronen, die zweidimensional eingegrenzt sind, einer Streuung in den vertikalen Richtungen und in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene unterworfen, während die Streuung in der lateralen Richtung eingeschränkt ist. Dies ist der gleiche Effekt, der durch das zweidimensionale Elektronengas in einem HEMT erhalten wird. Umgekehrt hat die Wellenfunktion mit n = 2 eine hohe Abundanzwahrscheinlichkeit in der n-Region 2. Die Elektronen sind somit anfällig für die Streuung der ionisierten Verunreinigung in der Region 2 und erzielen dort eine Mobilität nur mit einem Wert gemäß der klassischen elektrischen Leitungstheorie. Es ist deshalb zu erwarten, daß dort der Vorteil der hohen Mobilität nicht auftritt, der den Elektronen in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion 7 zueigen ist. Jedoch ist auch im Fall n = 2 ein Effekt der Eingrenzung der Elektronenstreuung in der lateralen Richtung durch den Effekt der zweidimensionalen Eingrenzung der Elektronen belassen. Die gesamte Stromdichte entspricht der Summe entsprechender Zahlendichten von Elektronen, die eine Leitung in den Quantenzuständen von n = 1 bis 3 liefern. Von den Zuständen n = 2 und n = 3 sind die Elektronen geneigt, in den Zustand n = 1 zu fallen, in dem die Energie sich auf dem niedrigsten Niveau befindet. Die Leitungsart, die von den Elektronen im Zustand n = 1 geteilt wird, wird also als die dominante Leitungsart angesehen. Es gibt somit die Möglichkeit, daß die Stromdichte die nach den Gesichtspunkten der klassischen Theorie vorhergesagte Dichte überschreitet.
  • Vierzehntes Beispiel
  • Bei den Beispielen vom ersten bis zum dreizehnten Beispiel wurde davon ausgegangen, daß dn = dp, also die Regionen 1 und 2 gleich breit sind, mit Ausnahme der in 5 gezeigten Modifikation. dn und dp müssen jedoch nicht notwendigerweise gleich sein, auch bei in den Regionen 1 und 2 zueinander im Gleichgewicht befindlichen Ladungen, wie bei denen in der Supersperrschicht. Der Effekt der Erfindung kann beispielsweise auch erreicht werden, wenn die Supersperrschichtstruktur für ein unipolares Bauteil mit n-Leitung verwendet wird, wobei nur die Breite dn der n-Region 2 verringert und darin die Verunreinigungskonzentration erhöht wird und die zweite eigenleitende Halbleiterregion 7 in die Mitte der n-Region 2 einge fügt wird, wie es im Querschnitt einer derartigen Supersperrschichtstruktur in 18 gezeigt ist.
  • Fünfzehntes Beispiel
  • Bei einer vertikalen Supersperrschichtstruktur ist die Erfindung nicht auf die Streifenform beschränkt. Solange die Ladungen in der n-Region und der p-Region einfach im Gleichgewicht miteinander sind, kann beispielsweise auch ein planes Muster erfindungsgemäß gestaltet sein, wie es in 7 gezeigt ist. Hierbei hat die zweite eigenleitende Halbleiterregion 7, die bei jedem der Beispiele vom elften bis zum vierzehnten ein Pseudo-Potentialtopf war, beim fünfzehnten Beispiel eine Pseudo-Quantenleiterstruktur. In einem Quantenleiter (Quantendraht) wird eine weitere Erhöhung der Elektronenmobilität im Vergleich zu einem Potentialtopf erwartet (H. Sakaki, "Scattering Suppression and High-Mobility Effect of Size-Quantized Electrons in Ultrafine Semiconductor Wire Structures", Japanese Journal of Applied Physics, Band 19, Nr. 12, Dezember 1980, Seiten L735–L738).
  • Bisher sind jedoch die Bildung eines eindimensionalen Elektronengases in einem Quantenleiter und die damit verbundene Erhöhung der Elektronenmobilität nur theoretisch vorhergesagt und ohne experimentelle Demonstration, im Gegensatz zum zweidimensionalen Elektronengas, das experimentell gut untersucht ist.
  • Was die Studien der Leitungsart in einem eindimensionalen Leiter sehr kurzer Länge angeht, sind Untersuchungen an einem Quantenpunktkontakt sowohl theoretisch als auch experimentell gut ausgeführt worden. Für den Quantenpunktkontakt sind die Strom-zu-Spannung-Charakteristiken dieses Kontakts vielfach erfaßt worden, indem Elektronen in einem eindimensionalen Leiter einer Länge, die geringer ist als die mittlere freie Weglänge der Elektronen, hindurchgeleitet werden, wobei die Leitungselektronen sich zwischen den Elektroden bewegen, ohne auch nur einmal gestreut zu werden. Die Aussage in dem Artikel von Sakaki, daß durch den eindimensionalen Leiter die Streuung verhindert wird, ist also nicht bewiesen. Eine experimentelle Bestätigung dazu, ob eine Streuung der Träger tatsächlich verhindert wird oder nicht, um die Trägermobilität in einem eindimensionalen Leiter zu erhöhen, der um einiges länger ist als die mittlere freie Weglänge der Träger, wird als eines der wichtigen Themen auf dem Gebiet der Halbleiter-Nanotechnologie angesehen.
  • Sechzehntes Beispiel
  • Die Erfindung ist nicht auf ein vertikales Bauteil beschränkt. Beispielsweise kann die laterale gestapelte Struktur zugrundegelegt werden, die im Artikel von Fujihira dargelegt ist, wobei in diesem Fall das Herstellungsverfahren das gleiche ist wie für die gestapelte Superstruktur. Übliche Technologien zum Herstellen von Bauteilen wie eines HEMTs, eines Halbleiterlasers oder eines gestapelten Bauteils mit SiGe-Gruppe können ohne Änderung verwendet werden.
  • Siebzehntes Beispiel
  • Wird bei den Beispielen vom ersten bis zum sechzehnten Beispiel Silizium als Halbleitermaterial für die Strukturen verwendet, so stellt Antimon eine bevorzugte n-Verunreinigung dar. Die Verwendung von Phosphor erschwert aufgrund von dessen hoher Diffusionskonstante im Feststoff die Eingrenzung der Verunreinigungsatome in einer feinen Region mit hoher Konzentration. Für die p-Verunreinigung wird nur Bor verwendet.
  • Die Erfindung ist speziell unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden, der Fachmann kann jedoch die beschriebenen und weitere Änderungen hinsichtlich der Form und der Einzelheiten durchführen, ohne den Geist und Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

  1. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil mit einer Supersperrschichtstruktur, die in einer Driftregion des Bauteils gebildet ist, mit alternierend angeordneten n-leitenden Regionen (2) und p-leitenden Regionen (1), die schichtartig parallel zur Driftrichtung der Ladungsträger angeordnet sind und im eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms zulassen und im ausgeschalteten Zustand verarmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Supersperrschichtstruktur mit einer repetitiven Struktur einer Einheit ausgestattet ist, die in ihrer Anordnung die n-leitende Region (2), die p-leitende Region (1) und eine erste eigenleitende Halbleiterregion (3), die zwischen der n-leitenden Region und der p-leitenden Region angeordnet ist, enthält, und der Wert der Mobilität der Elektronen in der n-leitenden Region (2) und/oder der Löcher in der p-leitenden Region (1) gleich oder niedriger ist als die Hälfte des Werts der Mobilität der Elektronen bzw. Löcher in der ersten eigenleitenden Halbleiterregion(3).
  2. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil mit einer Supersperrschichtstruktur, die in einer Driftregion des Bauteils gebildet ist, mit alternierend angeordneten n-leitenden Regionen (2) und p-leitenden Regionen (1), die schichtartig parallel zur Driftrichtung der Ladungsträger angeordnet sind und im eingeschalteten Zustand das Fließen eines Stroms zulassen und im ausgeschalteten Zustand verarmt werden, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Supersperrschichtstruktur mit einer repetitiven Struktur einer Einheit ausgestattet ist, die in ihrer Anordnung die n-leitende Region (2), die p-leitende Region (1) und eine erste eigenleitende Halbleiterregion (3), die zwischen der n-leitenden Region und der p-leitenden Region angeordnet ist, enthält, die n-leitende Region (2) und/oder die p-leitende Region (1) eine Anordnung haben, bei dem zwei Schichten der Region eine zweite eigenleitende Halbleiterregion (7) zwischen sich halten, und der Wert der Mobilität der Elektronen in der n-leitenden Region (2) und/oder der Löcher in der p-leitenden Region (1) gleich oder niedriger ist als die Hälfte des Werts der Mobilität der Elektronen bzw. Löcher in der ersten (3) und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion (7).
  3. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Verunreinigungskonzentration in der n-leitenden Region (2) als n2 bezeichnet wird, die Breite der n-leitenden Region in der Richtung senkrecht zur Drift richtung der Träger in dieser Region als dn bezeichnet wird, die Verunreinigungskonzentration in der p-leitenden Region (1) als p1 bezeichnet wird, die Breite der p-leitenden Region in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung der Träger in dieser Region als dp bezeichnet wird und die Breite der ersten eigenleitenden Halbleiterregion (3) als di bezeichnet wird, gilt: (dn + dp + 2·di)/2 = d',und daß die Donatorkonzentration Nd in der Supersperrschichtstruktur ist: Nd = 1,41·1012·α7/6·d–7/6 (cm–3),wobei α einen Koeffizienten (0 < α < 1) bezeichnet und d die Breite eines Strompfads – in der Richtung senkrecht zur Driftrichtung – in der n-leitenden Halbleiterregion in der Supersperrschichtstruktur bezeichnet, und daß die Verunreinigungskonzentration n2 in der n-leitenden Halbleiterregion und die Verunreinigungskonzentration p1 in der p-leitenden Halbleiterregion die Beziehungen erfüllen: n2 ≤ d'·Nd/dn, p1 ≤ d'·Nd/dp, n2·dn = p1·dp.
  4. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit der repetitiven Struktur eine Gesamtbreite von maximal 0,5 μm hat.
  5. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach Anspruch 2 oder dem auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion (7) in der Einheit der repetitiven Struktur, wenn die de-Broglie-Wellenlänge eines in der Region driftenden Trägers als λ bezeichnet wird, eine Größe im Bereich λ/2 bis 3λ hat und die Träger ein eindimensionales Elektronengas bilden, wenn die Träger Elektronen sind, bzw. ein eindimensionales Löchergas bilden, wenn die Träger Löcher sind.
  6. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Supersperrschichtstruktur in einem Substrat (12) gebildet ist, das als Halbleitermaterial einen Silizium-Einkristall verwendet, daß die n-leitende Region (2) und/oder die p-leitende Region (1) eine Verunreinigungskonzentration von wenigstens 1·1017 cm–3 aufweist und daß die erste eigenleitende Halbleiterregion (3) oder die zweite eigenleitende Halbleiterregion (7) als n-leitende Region oder p-leitende Region eine Verunreinigungskonzentration von höchstens 1·1016 cm–3 hat.
  7. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im eingeschalteten Zustand der Supersperrschichtstruktur wenigstens eine der folgenden Beziehungen erfüllt ist: Jn3 ≥ Jn2 wobei Jn3 die Stromdichte eines Elektronenstroms ist, der in der ersten und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion (3, 7) fließt, und Jn2 die Stromdichte eines Elektronenstroms ist, der in der n-leitenden Region (2) fließt; und JP3 ≥ Jp1, wobei Jp3 die Stromdichte eines Löcherstroms ist, der in der ersten und/oder der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion (3, 7) fließt, und Jp1 ein Löcherstrom ist, der in der p-leitenden Region (1) fließt.
  8. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermobilität in der ersten und/oder in der zweiten eigenleitenden Halbleiterregion (3, 7) im Vergleich zur theoretischen Trägermobilität in einer eigenleitenden Halbleiteregion wenigstens 90 % beträgt.
  9. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil an seiner Oberseite mit einer MOSFET-Struktur versehen ist und eine Anordnung hat, bei der die Supersperrschichtstruktur, die eine oder mehrere p-leitende (1) und n-leitende (2) miniaturisierte schichtartige Regionen und wenigstens eine erste (3) und/oder eine zweite (7) eigenleitende Halbleiterregion hat, der MOSFET-Struktur an einer Stelle gegenüberliegt, an der die Träger aus einer p-leitenden oder n-leitenden Quellenregion in der MOSFET-Struktur über eine darin befindliche Kanalregion herausfließen.
  10. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß seine Supersperrschichtstruktur eine Schichtstruktur aufweist, in der schichtartige Regionen in der Richtung senkrecht zur Hauptfläche eines Halbleitersubstrats (12) gebildet und so ausgerichtet sind, daß ein Querschnittsmuster in einer parallel zur Hauptfläche liegenden Schnittebene eine Struktur mit einer Mehrzahl von parallel angeordneten Rechtecken aufweist.
  11. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil, umfassend: ein Halbleitersubstrat; eine Supersperrschichtstruktur mit einer Säulenstruktur mit einem Querschnittsmuster in einer Ebene parallel zur Hauptfläche des Halbleitersubstrats, in Form von konzentrischen Kreisen mit einer Mehrzahl von ringförmigen Regionen einschließlich wenigstens einer p-leitenden Region (1) und wenigstens einer n-leitenden Region (2); und einer Kanalstopperregion, die an der Außenseite der Säulenstruktur angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß die Säulenstruktur umfaßt: eine zweite eigenleitende Halbleiterregion (7) am zentralen Abschnitt der Säulenstruktur mit einem kreisförmigen oder angenähert kreisförmigen Querschnitt; Regionen mit ringförmigem Querschnitt, wobei in dieser Reihenfolge vom Mittelabschnitt zum Umfangsabschnitt angeordnet sind: von den n-leitenden Regionen (2) und den p-leitenden Regionen (1) der Säulenstruktur eine, die einen ringförmigen Querschnitt hat; eine erste eigenleitende Halbleiterregion (3), die einen ringförmigen Querschnitt hat; die andere der Regionen, nämlich der n-leitenden und der p-leitenden Regionen, die wiederum einen ringförmigen Querschnitt hat; und eine erste eigenleitenden Halbleiterregionen (3), die einen ringförmigen Querschnitt hat; wobei eine der n-leitenden oder eine der p-leitenden Regionen (2, 1) mit ringförmigem Querschnitt im äußersten Umfangsabschnitt vorhanden ist (7, 8).
  12. Supersperrschicht-Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung in der die Supersperrschichtstruktur bildenden n-leitenden Region Antimon oder Arsen ist.
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